Ученые создали вихревой кластер с изменяющимися топологическими зарядами
Формирование ранее не наблюдавшегося объекта из области квантовой физики — кластера оптических вихрей с периодически меняющимися зарядами, продемонстрировали исследователи из Сколковского института науки и технологий и Исландского и Саутгемптонского университетов.
Эта работа открывает новые перспективы для создания структурированного свободно развивающегося света и сингулярной оптики в режиме сильной связи света с материей, написали ученые в статье «Спонтанное образование периодических во времени вихревых кластеров в нелинейных световых жидкостях», опубликованной в журнале Physical Review Letters.
Оптический вихрь, то есть поток света с закрученной по спирали вокруг оси распространения луча фазой, при проецировании на плоскость имеет вид кольца с интенсивностью в центре, равной нулю. «Скорость» и направление вращения вихря называются топологическим зарядом.
Исследователи сумели обнаружить кластер из четырех вихрей и пронаблюдать периодические изменения их зарядов с интервалом в одну пятую наносекунды. Ранее ученым таких быстрых изменений зарядов кластеров и решеток из оптических вихрей наблюдать не приходилось. В перспективе оптические вихри могут расширить полосу пропускания в волоконно-оптических линиях связи.
Количество каналов связи в оптическом волокне ограниченно, то есть ограничена его пропускная способность. Однако два вихря с одинаковой длиной волны света, но различных по топологическому заряду, могут занимать один канал, не взаимодействуя друг с другом. (Такая технология уплотнения каналов связи называется мультиплексированием.)
Другим перспективным использованием оптических вихрей может стать «оптический пинцет» — лазерный луч, которым можно удерживать или перемещать микроскопические объекты, такие как атомы, наночастицы и даже живые клети.
Сама технология «оптического пинцета» применяется еще с 80-х годов прошлого века, но оптические вихри позволят захватывать и вращать объект за счет того, что такой вихрь обладает определенным зарядом.
Экспериментальной частью исследований руководил вице-президент Сколтеха по фотонике, профессор Павлос Лагудакис. Она была выполнена в лаборатории гибридной фотоники. Вихри создавались в экситон-поляритонном конденсате в полупроводниковом микрорезонаторе.
Такая система представляет собой два расположенных близко друг к другу зеркала с высоким коэффициентом отражения, между которыми находятся квантовые ямы.
Это обеспечивает локализацию света и так называемую сильную связь фотонов с полупроводниковой средой, что вызывает формирование поляритонов — квазичастиц, представляющих собой связанные состояния электронов и дырок в полупроводнике, и фотонов внутри микрорезонатора.
Первый автор статьи, аспирант Сколтеха Кирилл Ситник пояснил: «Сложность состояла в том, чтобы удостовериться, что ориентация зарядов вихрей носит случайный характер, чтобы в итоге система сама организовалась в упорядоченный кластер. Поэтому просто встроить в нашу систему вихревую решетку при помощи лазера мы не могли — в результате мы получили бы вихри с заранее определенными зарядами, а спонтанность процесса полностью исчезла бы».
Исследователи использовали для возбуждения поляритонов лазерное излучение. При достижении критического значения мощности возбуждения часть поляритонов оказывалась внутри оптически индуцированной ловушки, а поляритонный конденсат — в суперпозиции макроскопических квантованных состояний с периодическими колебаниями зарядов вихрей.
Результаты фундаментальных исследований оптических вихрей могут найти практическое применение в оптической микроскопии, квантовой криптографии, оптической связи с расширенной полосой пропускания и в аналоговых вычислениях.
