I ricercatori di Skoltech e i loro colleghi del Regno Unito sono riusciti a creare un vortice gigante stabile nei condensati di polaritoni interagenti, affrontare una sfida nota nella fluidodinamica quantizzata. I risultati aprono possibilità nella creazione di sorgenti luminose coerenti strutturate in modo univoco e nell'esplorazione della fisica a molti corpi in condizioni estreme uniche. Il documento è stato pubblicato sulla rivista Comunicazioni sulla natura .

Nella fluidodinamica, un vortice è una regione in cui un fluido ruota attorno a un punto (2D) o una linea (3D); ne hai visto chiaramente uno nel lavandino o potresti averne sentito uno sotto forma di turbolenza durante il volo. Il mondo quantistico ha anche vortici:il flusso di un fluido quantistico può creare una zona in cui le particelle ruotano in modo persistente attorno a un certo punto. La firma prototipo di tali vortici quantistici è la loro fase singolare al centro del vortice.

I professori Skoltech Natalia Berloff e Pavlos Lagoudakis e colleghi hanno studiato i vortici creati da polaritoni - particelle quantistiche ibride dispari che sono metà luce (fotoni) e metà materia (elettroni) - formando un fluido quantistico nelle giuste condizioni. Stavano cercando un modo per creare vortici in questi fluidi polaritoni con alti valori di momento angolare (cioè, farli ruotare velocemente). Questi vortici, noto anche come vortici giganti, sono generalmente molto difficili da ottenere poiché tendono a rompersi in molti vortici più piccoli con basso momento angolare in altri sistemi.

La creazione di vortici giganti stabili mostra che i sistemi quantistici di non equilibrio (aperti), come condensati di polaritoni, possono superare alcuni gravi limiti della loro controparte di equilibrio termodinamico come i condensati di Bose-Einstein di atomi freddi. Il controllo sulla vorticità di un fluido quantistico potrebbe aprire nuove prospettive sulla simulazione analogica della gravità o sulla dinamica dei buchi neri nel mondo microscopico. Inoltre, il condensato di polaritone emette continuamente fotoni che trasportano tutte le complessità del vortice che potrebbero diventare importanti per l'archiviazione dei dati ottici, distribuzione, ed elaborazione delle domande.

I ricercatori stavano lavorando sull'utilizzo di condensati di polaritoni interagenti come candidati per simulare un modello vettoriale planare noto come modello XY. Si resero conto che quando più condensati venivano disposti in un poligono regolare con un numero dispari di vertici, lo stato fondamentale dell'intero sistema poteva corrispondere a una corrente di particelle lungo il bordo del poligono. Andando da un triangolo, pentagono, ettagono, e così via, gli autori hanno mostrato che la corrente ruotava sempre più velocemente, formando un gigantesco vortice di momento angolare variabile.

"La formazione di stabile in senso orario, o in senso antiorario, le correnti polaritoni lungo il perimetro dei nostri poligoni possono essere pensate come il risultato della frustrazione geometrica tra i condensati. I condensati interagiscono come oscillatori che vogliono essere in antifase tra loro. Ma un poligono dispari non può soddisfare questa relazione di fase a causa della sua simmetria rotazionale, e quindi i polaritoni si accontentano della cosa migliore che è una corrente rotante, " dice il primo autore Tamsin Cookson.

"Questa è una bella dimostrazione di come i polaritoni possono fornire una sandbox molto flessibile per sondare alcuni dei fenomeni più complessi della natura. Quello che mostriamo qui è un sistema che condivide molte caratteristiche con un buco nero, che ancora emette, un buco bianco se lo desideri." aggiunge il professor Lagoudakis.