En internationell grupp fysiker lyckades för första gången experimentellt observera övergången mellan två materiatillstånd, propagerande polariton-solitoner och ett Bose-Einstein-kondensat. Vidare, fysiker utvecklade en teoretisk modell för att förklara sådana övergångar och hittade ett sätt att växla mellan tillstånden genom att ändra laserns pumpkraft i polaritonbildningsprocessen. Resultaten publiceras i Fysiska granskningsbrev .
Icke-linjära system studeras omfattande i ett brett spektrum av fysiska system, särskilt inom fotonik. I sådana system, interaktioner mellan partiklar leder till en hel rad nya effekter såsom olinjära övergångar mellan olika grundtillstånd av materia inklusive polaritoner, solitoner och Bose-Einstein-kondensat.
"Polaritoner är kvasipartiklar som bildas på grund av hybridiseringen mellan materia och ljus. När de väl tillförs ytterligare energi och densiteter, de bildar kollektiva excitationer, solitons. En soliton har förmågan att fortplanta sig i rymden, bevara sin form. Med andra ord, trots att det är ett kollektivt tillstånd som består av många partiklar, en soliton beter sig som en enda partikel. På samma gång, ett Bose-Einstein-kondensat är ett kvanttillstånd av materia där alla partiklar, i vårt fall polaritoner, befolka systemets grundtillstånd med minimal energi. Vanligtvis, grundtillståndet är utsträckt genom hela området av systemet som studeras. Soliton- och Bose-Einstein-kondensatet är två vitt skilda regimer, och vi lyckades observera övergången mellan dem, " förklarar Ivan Shelykh, chef för International Laboratory of Photoprocesses in Mesoscopic Systems vid ITMO University i St Petersburg.
Gruppen består av professor Maurice Skolnick, Dr. Dmitry Krizhanovskii och Dr. Maksym Sich från University of Sheffield fick de experimentella data, medan den teoretiska gruppen ledd av Ivan Shelykh utvecklade en teoretisk modell för kvantitativ beskrivning av experimentet. "Först var vi tvungna att skapa polaritoner, ", säger Maurice Skolnick. "Detta krävde tillverkning av initiala halvledarstrukturer med exakt definierade egenskaper. Därefter sken vi en laser på strukturen vid temperaturer så låga som 4 grader Kelvin, skapade polaritoner och upptäckte ljuset som de sänder ut."
Forskarna observerade att en ökning av laserns pumpkraft utlöste olinjära effekter i systemet. "Öka laserkraften, vi skapar fler och fler partiklar, som börjar interagera med varandra. Därför, hela systemet går in i en olinjär regim. Separata polaritoner bildar solitoner, som sedan överförs till ett Bose-Einstein-kondensat. Även om det var tydligt att vi hade fått några intressanta resultat, utan en bra teori skulle vi aldrig ha förstått vad de egentligen betydde, " fortsätter Skolnick.
Den teoretiska modellen som förklarar experimentdata utvecklades av Ivan Shelykhs grupp. Detta samarbetsarbete utfördes med stöd av ett Megagrant från Ryska federationens utbildnings- och vetenskapsministerium för studiet av hybridljustillstånd. "Megagranten gav oss möjligheten att inleda ett produktivt samarbete med ledande experimentörer från Sheffield. Under ett år av vårt samarbetsarbete publicerade vi två stora artiklar, kombinera experiment med teori, " konstaterar Shelykh.
Ytterligare forskningsplaner inkluderar minskande storlek på icke-linjära övergångssystem till subvåglängdsskalan. Maurice Skolnick beskrev perspektiv på studien:"Nu har detta arbete huvudsakligen grundläggande betydelse eftersom vi beskrev helt ny fysik. Men när vi väl gör miniatyrenheter, det kommer att vara möjligt att använda icke-linjära övergångar mellan olika materiatillstånd för telekommunikation eller, till exempel, för att skapa nya lasrar."
