Een internationale groep natuurkundigen slaagde er voor het eerst in om de overgang tussen twee toestanden van materie experimenteel te observeren, propagerende polariton-solitonen en een Bose-Einstein condensaat. Verder, natuurkundigen ontwikkelden een theoretisch model om dergelijke overgangen te verklaren en vonden een manier om tussen de toestanden te schakelen door het laserpompvermogen in het polaritonvormingsproces te veranderen. De resultaten zijn gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven .

Niet-lineaire systemen worden uitgebreid bestudeerd in een breed scala van fysieke systemen, vooral in fotonica. In dergelijke systemen, interacties tussen deeltjes leiden tot een hele reeks nieuwe effecten zoals niet-lineaire overgangen tussen verschillende basistoestanden van materie, waaronder polaritonen, solitonen en Bose-Einstein condensaten.

"Polaritonen zijn quasideeltjes gevormd door de hybridisatie tussen materie en licht. Zodra ze worden voorzien van extra energie en dichtheden, ze vormen collectieve opwindingen, solitonen. Een soliton kan zich voortplanten in de ruimte, behoud van zijn vorm. Met andere woorden, ondanks dat het een collectieve staat is die uit veel deeltjes bestaat, een soliton gedraagt ​​zich als een enkel deeltje. Tegelijkertijd, een Bose-Einstein-condensaat is een kwantumtoestand van materie waarin alle deeltjes, in ons geval polaritonen, bevolken de grondtoestand van het systeem met minimale energie. Gebruikelijk, de grondtoestand strekt zich uit over het gehele gebied van het bestudeerde systeem. De soliton en Bose-Einstein condensaat zijn twee zeer verschillende regimes, en we zijn erin geslaagd om de overgang tussen hen te observeren, " legt Ivan Shelykh uit, hoofd van het International Laboratory of Photoprocesses in Mesoscopic Systems aan de ITMO University in Sint-Petersburg.

De groep bestaande uit professor Maurice Skolnick, Dr. Dmitry Krizhanovskii en Dr. Maksym Sich van de Universiteit van Sheffield verkregen de experimentele gegevens, terwijl de theoretische groep onder leiding van Ivan Shelykh een theoretisch model ontwikkelde voor een kwantitatieve beschrijving van het experiment. "Eerst moesten we polaritonen maken, ", zegt Maurice Skolnick. "Dit vereiste de fabricage van initiële halfgeleiderstructuren met nauwkeurig gedefinieerde kenmerken. Vervolgens schenen we een laser op de structuur bij temperaturen zo laag als 4 graden Kelvin, creëerde polaritons en detecteerde het licht dat ze uitstralen."

De onderzoekers merkten op dat een toename van het pompvermogen van de laser niet-lineaire effecten in het systeem veroorzaakte. "Het laservermogen vergroten, we creëren steeds meer deeltjes, die met elkaar in contact komen. Daarom, het hele systeem gaat in een niet-lineair regime. Afzonderlijke polaritonen vormen solitonen, die vervolgens overgaan in een Bose-Einstein-condensaat. Hoewel het duidelijk was dat we enkele interessante resultaten hadden behaald, zonder een goede theorie hadden we nooit begrepen wat ze eigenlijk betekenden, ’ vervolgt Skolnick.

Het theoretische model dat de experimentele gegevens verklaart, is ontwikkeld door de groep van Ivan Shelykh. Dit samenwerkingswerk werd uitgevoerd met de steun van een Megagrant van het Ministerie van Onderwijs en Wetenschappen van de Russische Federatie voor de studie van hybride lichtstaten. "De Megagrant gaf ons de mogelijkheid om een ​​productieve samenwerking aan te gaan met vooraanstaande onderzoekers uit Sheffield. Gedurende een jaar van ons gezamenlijke werk hebben we twee belangrijke papers gepubliceerd, experimenten combineren met theorie, ' merkt Shelykh op.

Verdere onderzoeksplannen omvatten het verkleinen van niet-lineaire overgangssystemen naar de subgolflengteschaal. Maurice Skolnick beschreef de perspectieven van de studie:"Nu heeft dit werk vooral fundamentele betekenis omdat we volledig nieuwe fysica beschreven. Maar als we eenmaal miniatuurapparaten maken, het zal mogelijk zijn om niet-lineaire overgangen tussen verschillende toestanden van materie te gebruiken voor telecommunicatie of, bijvoorbeeld, voor de creatie van nieuwe lasers."