Des tourbillons quantifiés peuvent être générés dans des expériences classiques d’hélium liquide et de gaz dilués ultrafroids pour mener des études fondamentales et comparatives de différents superfluides. Dans un nouveau rapport publié en Avancées scientifiquesIvan Gnusov et une équipe de recherche en photonique et en physique au Royaume-Uni, en Russie et en Islande ont développé une expérience de « seau rotatif » pour contenir optiquement le fluide quantique de la lumière.
Les expériences dépendaient de l’exciton-polariton Condensats de Bose-Einstein dans la microcavité semi-conductrice. L’équipe a utilisé la note de battement de deux lasers monomodes stabilisés en fréquence et a généré un profil d’excitation non résonnant rotatif périodique asymétrique. Ils ont ensuite étudié la dépendance de la fréquence de rotation pour révéler une gamme de fréquences d’agitation favorisant la formation quantifiée de vortex. Les résultats peuvent faciliter l’étude de la superfluidité des polaritons pour comprendre le rôle de l’optique sur la lumière non linéaire structurée.
L’expérience du « seau rotatif »
Le moment cinétique orbital (OAM) dans la vorticité optique est essentiel pour coder et traiter les informations optiques ; le phénomène a conduit au développement de dispositifs de microlasage. Les tourbillons optiques diffèrent nettement des tourbillons conventionnels observés dans les fluides en interaction. Par exemple, les vortex conventionnels sont abondants dans la nature, allant d’énormes tempêtes de vortex dans les ceintures de gaz de Jupiter à la minuscules vortex quantiques à l’échelle du micron dans les systèmes quantiques macroscopiques tels que les supraconducteurs, les superfluides et Condensats de Bose-Einstein. Alors que les tourbillons optiques sont d’origine géométrique, les tourbillons dans les superfluides et les condensats de Bose-Einstein sont considérés comme des défauts topologiques.
Malgré des avancées significatives dans le domaine de polaritonique, les chercheurs doivent encore comprendre la formation de vortex dans un condensat de polariton agité ou une expérience de « seau rotatif » avec de l’hélium liquide ou des gaz quantiques dilués. Pour générer le phénomène, les physiciens ont utilisé des champs électriques externes ou des champs magnétiques. Dans ce travail, Gnusov et ses collègues ont façonné l’expérience du seau rotatif dans un condensat de polariton ou des quasi-particules bosoniques qui existent à l’intérieur des microcavités semi-conductrices en utilisant un dispositif optique asymétrique cylindrique. Ils ont ensuite formé un motif d’excitation en battant la note de deux lasers monomodes désaccordés en fréquence de moment cinétique orbital opposé pour former un faisceau composite.
La configuration de pompage dans l’expérimentation au godet rotatif et la modélisation numérique
Au cours des expériences, l’équipe a injecté optiquement le condensat de polariton dans une microcavité inorganique contenant Réflecteurs Bragg avec des puits quantiques intégrés dans le champ optique intracavité. Ils ont ensuite maintenu l’échantillon dans un cryostat à doigts froids à 4 K. Par la suite, l’équipe a superposé deux lasers modulés spatialement sur un séparateur de faisceau non polarisant pour former un motif d’excitation rotatif en forme d’haltère, où la direction et la fréquence de la rotation étaient issus d’un étude précédente.
Pour le désaccord à fréquence nulle entre les deux lasers, l’équipe a noté la formation d’un réservoir d’excitons chauds en forme d’haltère statique pour contenir partiellement les polaritons dans le profil d’excitation en raison de l’interaction répulsive entre les excitons et les polaritons. Ils ont reproduit quantitativement les résultats via la modélisation numérique en utilisant un 2D généralisé Gross-Pitaevski équation. La compétition entre le gain et les pertes a entraîné un vortex quantique qui a co-tourné avec le réservoir d’excitons. Outre la capacité de reproduire la formation de vortex quantiques dans les fluides à polaritons tournants, les sources lumineuses structurées à charge régulée offraient des applications dans communications classiques et quantiques.
Formation de vortex quantique dépendant de la fréquence
Gnusov et ses collègues étaient principalement intéressés par la dynamique de l’expérience du seau rotatif par rapport à sa dépendance à la fréquence correspondante lors de la formation du vortex quantique. En ajustant la fréquence de rotation du motif d’excitation d’un diamètre de 14 μm, l’équipe a observé la formation de vortex quantiques entre 1 et 4 GHz.
Les scientifiques ont enregistré l’interface pour chaque fréquence et extrait la distribution de phase dans l’espace réel pour 100 réalisations « single-shot ». Ils ont ensuite développé un algorithme de tri de vortex pour différencier les états de vortex quantiques au cours de l’expérience. Encore une fois, l’équipe a intégré des simulations numériques pour confirmer quantitativement les observations expérimentales et les tourbillons quantiques en fonction de la fréquence de rotation.
Perspectives
De cette façon, Ivan Gnusov et ses collègues ont étudié la formation de vortex quantiques dans les gaz quantiques ultrafroids et l’hélium liquide pour comprendre les fascinantes études fondamentales et comparatives des superfluides. L’équipe a réalisé la formation d’états de vortex quantiques en laboratoire via l’expérience à seau rotatif basée sur des condensats de polaritons de Bose-Einstein. La physique sous-jacente des décalages de polaritons nécessitait des fréquences d’agitation de l’ordre du gigahertz.
En raison de la capacité existante à créer rapidement réseaux de polaritons étendus, cette méthode permettra aux chercheurs de concevoir des réseaux de vortex et d’étudier l’interaction complexe de la polarisation, du moment cinétique orbital et des degrés de liberté du moment linéaire dans des fluides quantiques dissipatifs entraînés à grande échelle. Les démonstrations expérimentales fournissent une source de tourbillons optiques pour renforcer les applications dans classique et l’informatique quantique avec le potentiel d’examiner les transport de fluides quantiques.
Plus d’information:
Ivan Gnusov et al, Formation de vortex quantique dans l’expérience du « seau rotatif » avec des condensats de polaritons, Avancées scientifiques (2023). DOI : 10.1126/sciadv.add1299
Johannes D. Plumhof et al, Condensation de Bose – Einstein à température ambiante d’excitons de cavité – polaritons dans un polymère , Matériaux naturels (2013). DOI : 10.1038/nmat3825
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