Свет, пойманный в ловушку: физики нашли способ создавать устойчивые световые пики в квантовых конденсатах

Понятие солитона восходит к 1834 году, когда шотландский инженер Джон Скотт Рассел заметил в Эдинбургском канале волну, которая без затухания мчалась несколько миль. С тех пор солитоны обнаружились в самых разных средах: от волоконно-оптических кабелей до плазмы и квантовых жидкостей. Поймать и удержать подобную структуру в системе из света и вещества — задача, над которой физики бились не одно десятилетие.

В новом исследовании китайские исследователи из Чжэцзянского педагогического университета, Чжэцзянского института фотоэлектроники и Вестлейкского университета совместно с коллегами из МФТИ и Санкт-Петербургского государственного университета нашли элегантный и экспериментально достижимый путь к ее решению. Работа опубликована в журнале Physical Review B.

Что такое поляритонный конденсат?

В основе их работы лежит физика экситон-поляритонов — необычных квазичастиц, рождающихся в полупроводниковых микрорезонаторах при взаимодействии фотонов с экситонами (связанными парами электрона и дырки). Микрорезонатор можно представить как крошечную оптическую ловушку, в которой свет многократно отражается между двумя высококачественными зеркалами и сливается с электронными возбуждениями кристалла.

Экситон-поляритоны сочетают свойства и света, и вещества: они чрезвычайно легки — их эффективная масса составляет около десятитысячной доли массы электрона (~10⁻⁴ mₑ), но при этом взаимодействуют друг с другом подобно частицам вещества. Эта двойственность позволяет поляритонам конденсироваться в единое квантовое состояние — аналог конденсата Бозе–Эйнштейна — при значительно более высоких температурах, вплоть до комнатных.

Поляритонный конденсат — неравновесная система: он существует лишь при постоянной подкачке энергии извне, компенсирующей неизбежные потери фотонов из резонатора. Без накачки конденсат мгновенно «гаснет». Именно эта неравновесность делает конденсат богатой средой для нелинейных явлений и неожиданных самоорганизующихся структур.

Открытие пути к светлым солитонам

В поляритонных системах хорошо известны темные солитоны (провалы плотности на однородном фоне) и вихри. Светлые же солитоны — пики повышенной интенсивности на ровном фоне — считались практически недостижимыми при однородной некогерентной накачке: теория предсказывала их нестабильность в таких условиях.

Физики под руководством профессора Хуэйцзюня Ли (Чжэцзянский педагогический университет) и Алексея Кавокина из МФТИ предложили качественно иной подход. Исследователи установили, что если начать с широкой однородной накачки, а затем ограничить зону накачки конечной областью, то от ее границ внутрь побегут локализованные волны. Резкая граница накачки — это место, в котором система испытывает перепад условий, своего рода «берег», от которого отталкиваются волны плотности. Сталкиваясь в центре, они не гасят друг друга, а сливаются в устойчивый яркий пик высокой интенсивности.

Самолокализация обусловлена тонким балансом между нелинейным усилением на границах области накачки и кинетической энергией, распределенной по системе. Усиление, поступающее с краев, в точности компенсирует потери в центре, удерживая пик в состоянии динамического равновесия. Самоподдерживающийся пик при этом никуда не движется — он стоит на месте, пока работает накачка.

Алексей Кавокин прокомментировал: «Мы привыкли думать, что светлые солитоны при однородной накачке нежизнеспособны, это была почти догма в физике поляритонов. Отталкивающие взаимодействия должны сглаживать пики плотности поляритонов. Теперь же выяснилось, что светлый солитон все-таки можно сделать стабильным: достаточно правильно выбрать геометрию и ограничить пространственные размеры зоны накачки. Что особенно ценно — нам удалось показать, что этот механизм работает даже в тех режимах, где однородный конденсат либо слабо устойчив, либо вовсе неустойчив».

С практической точки зрения результаты вписываются в повестку поляритонных технологий. Поляритонные конденсаты рассматриваются как перспективная платформа для оптических вычислений нового поколения: поляритонные нейроны, логические элементы и ультрабыстрые переключатели уже разработаны на концептуальном уровне. Устойчивые локализованные пики — потенциальные носители информации в таких системах, своего рода «биты», записанные светом в квантовой среде. Кроме того, поляритонные системы могут использоваться в качестве квантовых симуляторов для изучения нелинейной динамики и фазовых переходов в сильно неравновесных системах.