Un gruppo internazionale di fisici è riuscito per la prima volta ad osservare sperimentalmente la transizione tra due stati della materia, propagazione di polaritoni-solitoni e un condensato di Bose-Einstein. Per di più, i fisici hanno sviluppato un modello teorico per spiegare tali transizioni e hanno trovato un modo per passare da uno stato all'altro modificando la potenza di pompaggio del laser nel processo di formazione del polaritone. I risultati sono pubblicati in Lettere di revisione fisica .
I sistemi non lineari sono ampiamente studiati in un'ampia gamma di sistemi fisici, in particolare in fotonica. In tali sistemi, le interazioni tra le particelle portano a tutta una serie di nuovi effetti come le transizioni non lineari tra i diversi stati fondamentali della materia, inclusi i polaritoni, solitoni e condensati di Bose-Einstein.
"I polaritoni sono quasiparticelle formate a causa dell'ibridazione tra materia e luce. Una volta che vengono fornite con energia e densità aggiuntive, formano eccitazioni collettive, solitoni. Un solitone ha la capacità di propagarsi nello spazio, preservandone la forma. In altre parole, pur essendo uno stato collettivo composto da molte particelle, un solitone si comporta come una singola particella. Allo stesso tempo, un condensato di Bose-Einstein è uno stato quantico della materia in cui tutte le particelle, nel nostro caso polaritoni, popolare lo stato fondamentale del sistema con la minima energia. Generalmente, lo stato fondamentale è esteso a tutta l'area del sistema oggetto di studio. Il solitone e il condensato di Bose-Einstein sono due regimi molto diversi, e siamo riusciti a osservare la transizione tra di loro, " spiega Ivan Shelykh, capo del Laboratorio Internazionale di Fotoprocessi in Sistemi Mesoscopici presso l'Università ITMO di San Pietroburgo.
Il gruppo composto dal professor Maurice Skolnick, Il Dr. Dmitry Krizhanovskii e il Dr. Maksym Sich dell'Università di Sheffield hanno ottenuto i dati sperimentali, mentre il gruppo teorico guidato da Ivan Shelykh ha sviluppato un modello teorico per la descrizione quantitativa dell'esperimento. "Prima dovevamo creare polaritoni, " dice Maurice Skolnick. "Ciò ha richiesto la fabbricazione di strutture a semiconduttore iniziali con caratteristiche definite con precisione. Successivamente abbiamo puntato un laser sulla struttura a temperature fino a 4 gradi Kelvin, creato polaritoni e rilevato la luce che emettono."
I ricercatori hanno osservato che un aumento della potenza di pompaggio del laser ha innescato effetti non lineari nel sistema. "Aumentando la potenza del laser, creiamo sempre più particelle, che iniziano ad interagire tra loro. Perciò, l'intero sistema entra in un regime non lineare. Polaritoni separati formano solitoni, che poi si trasferiscono in un condensato di Bose-Einstein. Sebbene fosse chiaro che avevamo ottenuto dei risultati interessanti, senza una buona teoria non avremmo mai capito cosa significassero in realtà, "Skolnick continua.
Il modello teorico che spiega i dati sperimentali è stato sviluppato dal gruppo di Ivan Shelykh. Questo lavoro collaborativo è stato svolto con il supporto di un Megagrant del Ministero dell'Istruzione e della Scienza della Federazione Russa sullo studio degli stati di luce ibridi. "Il Megagrant ci ha dato la possibilità di avviare una collaborazione produttiva con i principali sperimentatori di Sheffield. Durante un anno del nostro lavoro collaborativo abbiamo pubblicato due importanti articoli, combinando esperimenti con teoria, "Note di Shelykh.
Ulteriori piani di ricerca includono la riduzione delle dimensioni dei sistemi di transizioni non lineari alla scala della lunghezza d'onda inferiore. Maurice Skolnick ha descritto le prospettive dello studio:"Ora questo lavoro ha un significato principalmente fondamentale poiché abbiamo descritto una fisica completamente nuova. Eppure, una volta realizzati dispositivi in miniatura, sarà possibile utilizzare transizioni non lineari tra diversi stati della materia per le telecomunicazioni o, Per esempio, per la creazione di nuovi laser."
