Genom att använda en speciell kombination av laserstrålar som en mycket snabb omrörare har RIKEN-fysiker skapat flera virvlar i ett kvantfotoniskt system och spårat deras utveckling. Detta system skulle kunna användas för att utforska exotisk ny fysik relaterad till uppkomsten av kvanttillstånd från virvelmaterial. Forskningen är publicerad i tidskriften Nano Letters .
I princip, om du skulle simma i en pool fylld med en supervätska, skulle ett enda slag vara allt du behöver för att simma ett oändligt antal varv. Det beror på att, till skillnad från vanliga vätskor som vatten, har supervätskor inget motstånd mot rörelse under en viss hastighet.
Supervätskor beter sig också konstigt när de rörs om. "Om du rör om en hink vatten får du vanligtvis bara en stor virvel", förklarar Michael Fraser från RIKEN Center for Emergent Matter Science. "Men när du roterar en superfluid skapar du först en virvel. Och när du roterar den snabbare får du successivt fler och fler virvlar av exakt samma storlek."
Även om det också ses i flytande helium och atomära system, visas en form av superfluiditet av ett system som består av partikelliknande enheter som kallas polaritoner, där en foton av ljus kopplar starkt med en negativ elektron bunden till ett positivt hål i en halvledare . Forskare vill "röra om" sådana system, men detta är utmanande eftersom det kräver extremt höga frekvenser – miljontals gånger snabbare än de som behövs för atomsystem.
Nu har Fraser och medarbetare använt en specialtillverkad laserstråle för att osammanhängande röra om ett sådant polaritonkondensat och skapa ensembler av virvlar.
"Dessa kondensat har funnits i mer än 15 år, och mycket intressant fysik har gjorts med dem", säger Fraser. "Men rotation av en polaritonsupervätska som orsakar att flera virvlar samlas och fritt utvecklas hade inte uppnåtts tidigare."
Teamet skapade sin speciella laserstråleomrörare genom att kombinera en vanlig laserstråle med en som hade en munkliknande form. Frekvenserna för de två strålarna var något avvikande, och denna frekvensskillnad matchade den frekvens som behövdes för att rotera polaritoner. Med hjälp av denna stråle kunde forskarna kontrollera sin hastighet och rotationsriktning och skapa virvlar efter behag. De visade till och med att ju snabbare rotationen var, desto fler virvlar kunde fångas nära rotationsaxeln.
Dessutom stämde de experimentella mätningarna de erhöll väl överens med simuleringar baserade på teori.
"Vårt rotationsschema tillåter alltså studiet av självordnande virveldynamik i en öppen försvinnande plattform - en som ständigt förlorar och vinner partiklar", förklarar Fraser. "Detta är särskilt spännande eftersom vi inte bara förväntar oss att det ska uppvisa nya virvelfenomen, utan det öppnar också för möjligheter att studera höggradigt kvantum, topologiska faser av ljus."
Mer information: Yago del Valle-Inclan Redondo et al, Optically Driven Rotation of Exciton–Polariton Condensates, Nano Letters (2023). DOI:10.1021/acs.nanolett.3c01021
Journalinformation: Nanobokstäver
Tillhandahålls av RIKEN
