Erzeugen von Wirbeln in einem Superfluid aus Licht

Durch den Einsatz einer speziellen Kombination von Laserstrahlen als sehr schnellem Rührer haben RIKEN-Physiker mehrere Wirbel in einem quantenphotonischen System erzeugt und deren Entwicklung verfolgt. Dieses System könnte zur Erforschung exotischer neuer Physik im Zusammenhang mit der Entstehung von Quantenzuständen aus Wirbelmaterie verwendet werden. Die Forschung ist veröffentlicht im Tagebuch Nano-Buchstaben.

Wenn Sie in einem Becken schwimmen würden, das mit einer Superflüssigkeit gefüllt ist, reicht im Prinzip ein einziger Schwimmzug aus, um unendlich viele Runden zu schwimmen. Das liegt daran, dass Supraflüssigkeiten im Gegensatz zu normalen Flüssigkeiten wie Wasser unterhalb einer bestimmten Geschwindigkeit keinen Widerstand gegen Bewegungen haben.

Superflüssigkeiten verhalten sich auch seltsam, wenn sie gerührt werden. „Wenn man einen Eimer Wasser umrührt, entsteht normalerweise nur ein großer Wirbel“, erklärt Michael Fraser vom RIKEN Center for Emergent Matter Science. „Aber wenn man ein Superfluid rotiert, erzeugt man zunächst einen Wirbel. Und wenn man es schneller rotiert, entstehen immer mehr Wirbel mit genau der gleichen Größe.“

Obwohl es auch in flüssigem Helium und atomaren Systemen zu beobachten ist, zeigt sich eine Form der Supraflüssigkeit durch ein System, das aus teilchenähnlichen Einheiten besteht, die als Polaritonen bekannt sind und in denen ein Lichtphoton stark mit einem negativen Elektron koppelt, das an ein positives Loch in einem Halbleiter gebunden ist . Forscher wollen solche Systeme „rühren“, aber das ist eine Herausforderung, da dafür extrem hohe Frequenzen erforderlich sind – millionenfach schneller als die, die für atomare Systeme erforderlich sind.

Jetzt haben Fraser und Mitarbeiter einen speziell gefertigten Laserstrahl verwendet, um ein solches Polaritonenkondensat inkohärent zu rühren und so Ensembles von Wirbeln zu erzeugen.

„Diese Kondensate gibt es schon seit mehr als 15 Jahren und es wurden viele interessante physikalische Untersuchungen mit ihnen durchgeführt“, sagt Fraser. „Aber die Rotation eines Polariton-Superfluids, die dazu führt, dass sich mehrere Wirbel ansammeln und frei entwickeln, war zuvor noch nicht erreicht worden.“

Das Team entwickelte seinen speziellen Laserstrahl-Rührer, indem es einen regulären Laserstrahl mit einem donutförmigen Strahl kombinierte. Die Frequenzen der beiden Strahlen unterschieden sich geringfügig, und dieser Frequenzunterschied entsprach der Frequenz, die zum Drehen der Polaritonen erforderlich war. Mit diesem Strahl konnten die Forscher ihre Geschwindigkeit und Rotationsrichtung steuern und nach Belieben Wirbel erzeugen. Sie zeigten sogar, dass je schneller die Rotation, desto mehr Wirbel nahe der Rotationsachse eingefangen werden konnten.

Darüber hinaus stimmten die experimentellen Messungen gut mit theoriebasierten Simulationen überein.

„Unser Rotationsschema ermöglicht somit die Untersuchung der selbstordnenden Wirbeldynamik in einer offenen dissipativen Plattform – einer Plattform, die kontinuierlich Partikel verliert und hinzugewinnt“, erklärt Fraser. „Das ist besonders spannend, da wir nicht nur erwarten, dass es neue Wirbelphänomene zeigt, sondern es auch Möglichkeiten eröffnet, topologische Phasen des Lichts mit hohem Quantenanteil zu untersuchen.“