Quantenwirbelbildung im Labor

Quantisierte Wirbel können in klassischen Experimenten mit flüssigem Helium und ultrakalten verdünnten Gasen erzeugt werden, um grundlegende und vergleichende Studien verschiedener Suprafluide durchzuführen. In einem neuen Bericht, veröffentlicht in Wissenschaftliche FortschritteIvan Gnusov und ein Forschungsteam in den Bereichen Photonik und Physik in Großbritannien, Russland und Island entwickelten ein „rotierendes Eimer“-Experiment, um die Quantenflüssigkeit des Lichts optisch einzudämmen.

Die Experimente hingen vom Exziton-Polariton ab Bose-Einstein-Kondensate innerhalb der Halbleitermikrokavität. Das Team nutzte den Schwebungston zweier frequenzstabilisierter Einmodenlaser und erzeugte ein asymmetrisches, zeitperiodisches, rotierendes, nicht resonantes Anregungsprofil. Anschließend untersuchten sie die Abhängigkeit der Rotationsfrequenz, um eine Reihe von Rührfrequenzen aufzudecken, die eine quantisierte Wirbelbildung begünstigten. Die Ergebnisse können die Untersuchung der Polariton-Suprafluidität erleichtern, um die Rolle der Optik bei strukturiertem nichtlinearem Licht zu verstehen.

Das „rotierende Eimer“-Experiment

Der orbitale Drehimpuls (OAM) in optischer Vorticity ist wesentlich, um optische Informationen zu kodieren und zu verarbeiten; das Phänomen hat zur Entwicklung von geführt Mikrolaser-Geräte. Optische Wirbel unterscheiden sich deutlich von herkömmlichen Wirbeln, die in wechselwirkenden Fluiden zu sehen sind. Zum Beispiel sind konventionelle Wirbel in der Natur reichlich vorhanden, die von enormen Wirbelstürmen im Inneren reichen die Gasgürtel des Jupiters zum winzige Quantenwirbel im Mikrometermaßstab in makroskopischen Quantensystemen wie Supraleitern, Supraflüssigkeiten u Bose-Einstein-Kondensate. Während optische Wirbel geometrischen Ursprungs sind, werden die Wirbel in Supraflüssigkeiten und Bose-Einstein-Kondensaten als topologische Defekte angesehen.

Trotz erheblicher Fortschritte auf dem Gebiet der Polaritonikhaben die Forscher noch die Wirbelbildung in einem gerührten Polariton-Kondensat oder ein „rotierendes Eimer“-Experiment mit flüssigem Helium oder verdünnten Quantengasen verstanden. Um das Phänomen zu erzeugen, nutzten die Physiker externe elektrische Felder oder Magnetfelder. In dieser Arbeit gestalteten Gnusov und Kollegen das rotierende Eimerexperiment in a Polariton-Kondensat oder bosonische Quasiteilchen, die innerhalb von Halbleitermikrokavitäten existieren, unter Verwendung einer zylindrisch asymmetrischen optischen Vorrichtung. Anschließend bildeten sie ein Anregungsmuster, indem sie den Ton zweier frequenzverstimmter Einmodenlaser mit entgegengesetztem Bahndrehimpuls schlugen, um einen zusammengesetzten Strahl zu bilden.

Die Pumpkonfiguration im Dreheimer-Experiment und numerische Modellierung

Während der Experimente injizierte das Team das Polariton-Kondensat optisch in einen anorganischen Mikrohohlraum, der es enthielt Bragg-Reflektoren mit Quantentöpfen, die in das optische Feld innerhalb des Hohlraums eingebettet sind. Dann hielten sie die Probe in einem Kaltfinger-Kryostaten bei 4 K. Danach überlagerte das Team zwei räumlich modulierte Laser auf einem nicht polarisierenden Strahlteiler, um ein rotierendes hantelförmiges Anregungsmuster zu bilden, das die Richtung und Frequenz der Rotation bestimmt wurden von a abgeleitet vorausgehendes Studium.

Für die Nullfrequenz-Verstimmung zwischen den beiden Lasern bemerkte das Team die Bildung eines statischen hantelförmigen Reservoirs für heiße Exzitonen, das aufgrund der abstoßenden Wechselwirkung zwischen Exzitonen und Polaritonen teilweise Polaritonen innerhalb des Anregungsprofils enthält. Sie reproduzierten die Ergebnisse quantitativ durch numerische Modellierung unter Verwendung eines verallgemeinerten 2D Gross-Pitaevskii Gleichung. Der Wettbewerb zwischen Gewinn und Verlust führte zu einem Quantenwirbel, der mit dem Exzitonenreservoir mitrotierte. Neben der Fähigkeit, die Bildung von Quantenwirbeln in rotierenden Polariton-Flüssigkeiten nachzubilden, boten die strukturierten Lichtquellen mit geregelter Ladung Anwendungen in klassische und Quantenkommunikation.

Frequenzabhängige Quantenwirbelbildung

Gnusov und Kollegen interessierten sich vor allem für die Dynamik des rotierenden Eimerexperiments in Bezug auf seine Abhängigkeit von der entsprechenden Frequenz während der Quantenwirbelbildung. Durch Einstellen der Rotationsfrequenz des Anregungsmusters mit einem Durchmesser von 14 μm beobachtete das Team die Bildung von Quantenwirbeln zwischen 1 und 4 GHz.

Die Wissenschaftler zeichneten die Schnittstelle für jede Frequenz auf und extrahierten die Phasenverteilung im realen Raum für 100 „Single-Shot“-Realisierungen. Anschließend entwickelten sie einen Vortex-Sortieralgorithmus, um die Quantenwirbelzustände während des Experiments zu unterscheiden. Wieder einmal integrierte das Team numerische Simulationen, um die experimentellen Beobachtungen und Quantenwirbel als Funktion der Rotationsfrequenz quantitativ zu bestätigen.

Ausblick

Auf diese Weise untersuchten Ivan Gnusov und Kollegen die Bildung von Quantenwirbeln in ultrakalten Quantengasen und flüssigem Helium, um die faszinierenden grundlegenden und vergleichenden Studien von Suprafluiden zu verstehen. Das Team realisierte die Bildung von Quantenwirbelzuständen im Labor über das rotierende Eimerexperiment, das auf Bose-Einstein-Kondensaten von Polaritonen basiert. Die zugrunde liegende Physik der Polaritonverschiebungen erforderte Rührfrequenzen im Gigahertz-Bereich.

Aufgrund der vorhandenen Kapazität schnell zu erstellen erweiterte Polariton-Netzwerke, wird diese Methode Forscher in die Lage versetzen, Vortex-Arrays zu konstruieren und das komplexe Zusammenspiel von Polarisation, Freiheitsgraden des Bahndrehimpulses und des linearen Impulses in großräumigen getrieben-dissipativen Quantenflüssigkeiten zu untersuchen. Die experimentellen Demonstrationen bieten eine Quelle optischer Wirbel, um Anwendungen darin zu unterstützen klassisch und Quanten-Computing mit Prüfungspotential Transport von Quantenflüssigkeiten.

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