Utilizando una combinación especial de rayos láser como agitador muy rápido, los físicos de RIKEN han creado múltiples vórtices en un sistema fotónico cuántico y han seguido su evolución. Este sistema podría utilizarse para explorar nuevas y exóticas físicas relacionadas con la aparición de estados cuánticos a partir de materia de vórtices. La investigación se publica en la revista Nano Letters. .

En principio, si nadaras en una piscina llena de un superfluido, una sola brazada sería todo lo que necesitas para nadar un número infinito de vueltas. Esto se debe a que, a diferencia de los fluidos normales como el agua, los superfluidos no tienen resistencia al movimiento por debajo de cierta velocidad.

Los superfluidos también se comportan de forma extraña cuando se agitan. "Si agitas un balde de agua, normalmente obtienes un gran vórtice", explica Michael Fraser del Centro RIKEN para Ciencias de la Materia Emergente. "Pero cuando giras un superfluido, inicialmente creas un vórtice. Y cuando lo giras más rápido, obtienes progresivamente más y más vórtices exactamente del mismo tamaño".

Si bien también se observa en el helio líquido y en los sistemas atómicos, una forma de superfluidez se muestra en un sistema formado por entidades similares a partículas conocidas como polaritones, en las que un fotón de luz se acopla fuertemente con un electrón negativo unido a un agujero positivo en un semiconductor. . Los investigadores quieren "revolver" estos sistemas, pero esto es un desafío ya que requiere el uso de frecuencias extremadamente altas, millones de veces más rápidas que las necesarias para los sistemas atómicos.

Ahora, Fraser y sus colaboradores han utilizado un rayo láser especialmente diseñado para agitar de manera incoherente dicho condensado de polaritones, creando conjuntos de vórtices.

"Estos condensados ​​existen desde hace más de 15 años y con ellos se han realizado muchas investigaciones físicas interesantes", dice Fraser. "Pero la rotación de un superfluido polaritón que provoca que múltiples vórtices se acumulen y evolucionen libremente no se había logrado antes".

El equipo creó su agitador de rayo láser especial combinando un rayo láser normal con uno que tenía forma de rosquilla. Las frecuencias de los dos haces estaban ligeramente desviadas y esta diferencia de frecuencia coincidía con la frecuencia necesaria para rotar los polaritones. Con este rayo, los investigadores pudieron controlar su velocidad y dirección de rotación y crear vórtices a voluntad. Incluso demostraron que cuanto más rápida era la rotación, más vórtices podían capturarse cerca del eje de rotación.

Además, las mediciones experimentales que obtuvieron coincidieron bien con las simulaciones basadas en la teoría.

"Nuestro esquema de rotación permite así el estudio de la dinámica de los vórtices autoordenados en una plataforma disipativa abierta, una que pierde y gana partículas continuamente", explica Fraser. "Esto es especialmente interesante porque no sólo esperamos que muestre nuevos fenómenos de vórtice, sino que también abre oportunidades para estudiar fases topológicas y altamente cuánticas de la luz".

Más información: Yago del Valle-Inclan Redondo et al, Rotación impulsada ópticamente de condensados ​​de excitón-polaritón, Nano letras (2023). DOI:10.1021/acs.nanolett.3c01021

Información de la revista: Nanoletras

Proporcionado por RIKEN