Utilizzando una speciale combinazione di raggi laser come agitatore molto veloce, i fisici del RIKEN hanno creato più vortici in un sistema fotonico quantistico e ne hanno monitorato l'evoluzione. Questo sistema potrebbe essere utilizzato per esplorare una nuova fisica esotica legata all’emergere di stati quantistici dalla materia dei vortici. La ricerca è pubblicata sulla rivista Nano Letters .
In linea di principio, se nuotassi in una piscina riempita con un superfluido, basterebbe una sola bracciata per nuotare un numero infinito di vasche. Questo perché, a differenza dei fluidi normali come l'acqua, i superfluidi non hanno resistenza al movimento al di sotto di una certa velocità.
Anche i superfluidi si comportano in modo strano quando vengono agitati. "Se si agita un secchio d'acqua, in genere si ottiene un solo grande vortice", spiega Michael Fraser del RIKEN Center for Emergent Matter Science. "Ma quando ruoti un superfluido, inizialmente crei un vortice. E quando lo ruoti più velocemente, ottieni progressivamente sempre più vortici esattamente della stessa dimensione."
Anche se si vede anche nell'elio liquido e nei sistemi atomici, una forma di superfluidità viene mostrata da un sistema costituito da entità simili a particelle note come polaritoni, in cui un fotone di luce si accoppia fortemente con un elettrone negativo legato a una lacuna positiva in un semiconduttore . I ricercatori vogliono "mescolare" tali sistemi, ma questo è impegnativo poiché richiede l'uso di frequenze estremamente elevate, milioni di volte più veloci di quelle necessarie per i sistemi atomici.
Ora, Fraser e colleghi hanno utilizzato un raggio laser appositamente realizzato per mescolare in modo incoerente un tale condensato di polaritoni, creando insiemi di vortici.
"Questi condensati esistono da più di 15 anni e con essi è stata fatta molta fisica interessante", afferma Fraser. "Ma la rotazione di un superfluido polaritone che fa sì che più vortici si raccolgano e si evolvano liberamente non era mai stata ottenuta prima."
Il team ha creato il suo speciale agitatore a raggio laser combinando un raggio laser normale con uno a forma di ciambella. Le frequenze dei due raggi erano leggermente diverse e questa differenza di frequenza corrispondeva alla frequenza necessaria per ruotare i polaritoni. Usando questo raggio, i ricercatori hanno potuto controllare la velocità e la direzione di rotazione e creare vortici a piacimento. Hanno anche dimostrato che più veloce è la rotazione, più vortici possono essere catturati vicino all'asse di rotazione.
Inoltre, le misurazioni sperimentali ottenute concordavano bene con le simulazioni basate sulla teoria.
"Il nostro schema di rotazione consente quindi lo studio della dinamica dei vortici auto-ordinanti in una piattaforma dissipativa aperta, che perde e guadagna continuamente particelle", spiega Fraser. "Ciò è particolarmente entusiasmante perché non solo ci aspettiamo che mostri nuovi fenomeni di vortice, ma apre anche opportunità per studiare fasi topologiche e altamente quantistiche della luce."
Ulteriori informazioni: Yago del Valle-Inclan Redondo et al, Rotazione guidata otticamente dei condensati di eccitoni-polaritoni, Nano lettere (2023). DOI:10.1021/acs.nanolett.3c01021
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