Investigadores de Skoltech y sus colegas del Reino Unido han logrado crear un vórtice gigante estable en la interacción de condensados ​​de polaritón. abordar un desafío conocido en dinámica de fluidos cuantificada. Los hallazgos abren posibilidades para crear fuentes de luz coherentes con una estructura única y explorar la física de muchos cuerpos en condiciones extremas únicas. El artículo fue publicado en la revista Comunicaciones de la naturaleza .

En dinámica de fluidos, un vórtice es una región donde un fluido gira alrededor de un punto (2D) o una línea (3D); claramente ha visto uno en su fregadero o puede haber sentido uno en forma de turbulencia mientras volaba. El mundo cuántico también tiene vórtices:el flujo de un fluido cuántico puede crear una zona donde las partículas giran persistentemente alrededor de algún punto. La firma prototípica de tales vórtices cuánticos es su fase singular en el núcleo del vórtice.

Los profesores de Skoltech Natalia Berloff y Pavlos Lagoudakis y sus colegas estudiaron los vórtices creados por polaritones, extrañas partículas cuánticas híbridas que son mitad luz (fotón) y mitad materia (electrones), formando un fluido cuántico en las condiciones adecuadas. Buscaban una forma de crear vórtices en estos fluidos polariton con altos valores de momento angular (es decir, conseguir que giren rápido). Estos vórtices también conocido como vórtices gigantes, son generalmente muy difíciles de obtener ya que tienden a romperse en muchos vórtices más pequeños con un momento angular bajo en otros sistemas.

La creación de vórtices gigantes estables muestra que los sistemas cuánticos sin equilibrio (abiertos), como condensados ​​de polariton, pueden superar algunos límites severos de su contraparte de equilibrio termodinámico, como los condensados ​​de Bose-Einstein de átomos fríos. El control de la vorticidad de un fluido cuántico podría abrir nuevas perspectivas sobre la simulación analógica de la gravedad o la dinámica de los agujeros negros en el mundo microscópico. Es más, El condensado de polaritón emite continuamente fotones que llevan todas las complejidades del vórtice que podrían volverse importantes para el almacenamiento de datos ópticos. distribución, y procesamiento de solicitudes.

Los investigadores habían estado trabajando en el uso de condensados ​​de polaritón en interacción como candidatos para simular un modelo vectorial plano conocido como modelo XY. Se dieron cuenta de que cuando se dispusieron múltiples condensados ​​en un polígono regular con un número impar de vértices, el estado fundamental de todo el sistema podría corresponder a una corriente de partículas a lo largo del borde del polígono. Pasando de un triángulo, pentágono, heptágono, etcétera, los autores demostraron que la corriente giraba cada vez más rápido, formando un vórtice gigante de momento angular variable.

"La formación de estables en el sentido de las agujas del reloj, o en sentido antihorario, Las corrientes de polaritón a lo largo del perímetro de nuestros polígonos pueden considerarse como resultado de la frustración geométrica entre los condensados. Los condensados ​​interactúan como osciladores que quieren estar en antifase entre sí. Pero un polígono impar no puede satisfacer esta relación de fase debido a su simetría rotacional, y, por lo tanto, los polaritones se conforman con la siguiente mejor opción que es una corriente giratoria, "dice el primer autor Tamsin Cookson.

"Esta es una muy buena demostración de cómo los polaritones pueden proporcionar una caja de arena muy flexible para sondear algunos de los fenómenos más complejos de la naturaleza. Lo que mostramos aquí es un sistema que comparte muchas características con un agujero negro, que sigue emitiendo, un agujero blanco si lo desea ", añade el profesor Lagoudakis.