Onderzoekers van Skoltech en hun collega's uit het VK zijn erin geslaagd een stabiele gigantische vortex te creëren in interagerende polaritoncondensaten, het aanpakken van een bekende uitdaging in gekwantiseerde vloeistofdynamica. De bevindingen openen mogelijkheden voor het creëren van uniek gestructureerde coherente lichtbronnen en het verkennen van de fysica van vele lichamen onder unieke extreme omstandigheden. Het artikel is gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie .

Bij vloeistofdynamica, een vortex is een gebied waar een vloeistof rond een punt (2D) of een lijn (3D) draait; je hebt er duidelijk een in je gootsteen gezien of hebt er misschien een gevoeld in de vorm van turbulentie tijdens het vliegen. De kwantumwereld heeft ook draaikolken:de stroom van een kwantumvloeistof kan een zone creëren waar de deeltjes aanhoudend rond een bepaald punt draaien. De prototypische signatuur van dergelijke kwantumwervels is hun enkelvoudige fase in de kern van de vortex.

Skoltech-hoogleraren Natalia Berloff en Pavlos Lagoudakis en collega's bestudeerden wervelingen die werden gecreëerd door polaritons - vreemde hybride kwantumdeeltjes die halflicht (foton) en halfmaterie (elektronen) zijn - die onder de juiste omstandigheden een kwantumvloeistof vormen. Ze waren op zoek naar een manier om wervelingen te creëren in deze polaritonvloeistoffen met hoge waarden van impulsmoment (d.w.z. om ze snel te laten draaien). Deze draaikolken, ook wel reuzenwervels genoemd, zijn over het algemeen erg moeilijk te verkrijgen omdat ze de neiging hebben om uiteen te vallen in veel kleinere wervels met een laag impulsmoment in andere systemen.

Het creëren van stabiele reuzenwervels laat zien dat niet-evenwichts (open) kwantumsystemen, zoals polaritoncondensaten, kunnen enkele ernstige limieten van hun tegenhanger in thermodynamisch evenwicht overwinnen, zoals Bose-Einstein-condensaten van koude atomen. Controle over de vorticiteit van een kwantumvloeistof zou nieuwe perspectieven kunnen openen voor analoge simulatie van zwaartekracht of de dynamiek van zwarte gaten in de microscopische wereld. Bovendien, het polaritoncondensaat zendt continu fotonen uit die alle fijne kneepjes van de vortex dragen die belangrijk kunnen worden voor optische gegevensopslag, verdeling, en verwerken van aanvragen.

De onderzoekers hadden gewerkt aan het gebruik van interagerende polaritoncondensaten als kandidaten om een ​​vlak vectormodel te simuleren dat bekend staat als het XY-model. Ze realiseerden zich dat wanneer meerdere condensaten werden gerangschikt in een regelmatige veelhoek met een oneven aantal hoekpunten, de grondtoestand van het hele systeem zou kunnen overeenkomen met een deeltjesstroom langs de rand van de veelhoek. Door van een driehoek te gaan, Pentagon, zevenhoek, enzovoort, de auteurs toonden aan dat de stroom steeds sneller roteerde, het vormen van een gigantische draaikolk met variërende impulsmoment.

"De vorming van stabiel met de klok mee, of tegen de klok in, polaritonstromen langs de omtrek van onze polygonen kunnen worden gezien als een resultaat van geometrische frustratie tussen de condensaten. De condensaten werken op elkaar in als oscillatoren die in tegenfase met elkaar willen zijn. Maar een oneven veelhoek kan niet voldoen aan deze faserelatie vanwege zijn rotatiesymmetrie, en daarom nemen de polaritonen genoegen met het op één na beste wat een roterende stroom is, " zegt eerste auteur Tamsin Cookson.

"Dit is een heel mooie demonstratie van hoe polaritons een zeer flexibele zandbak kunnen bieden om enkele van de meer complexe fenomenen van de natuur te onderzoeken. Wat we hier laten zien is een systeem dat veel kenmerken deelt met een zwart gat, die nog steeds uitzenden, een wit gat als je wilt", voegt professor Lagoudakis eraan toe.