Исследователи кафедры теоретической ядерной физики НИЯУ МИФИ теоретически изучили необычное поведение света в микроскопическом кольце из экситонных поляритонов, которые называют «жидким светом». Об этом сообщили в пресс-службе НИЯУ МИФИ.
Экситонные поляритоны представляют собой гибридные частицы, формирующиеся при интенсивном взаимодействии света и вещества в полупроводниковых микрорезонаторах. Их появление обусловлено многократным переизлучением фотона, который взаимодействует с экситоном – связанной парой электрона и дырки в полупроводнике.
Поляритоны, будучи бозонами, способны образовывать бозе-конденсат при значительно более высоких температурах, чем ультрахолодные атомные газы. Они обладают псевдоспином, который наследуется от поляризации фотона и спина экситона, а также имеют собственное спин-орбитальное взаимодействие, возникающее из-за расщепления мод электромагнитного поля в резонаторе. Это взаимодействие особенно ярко проявляется в кольцевых структурах.
Объектом исследования является тонкое кольцо с внутренним радиусом 10 мкм и внешним радиусом 12 мкм, разделённое двумя потенциальными барьерами на две части. Такая геометрия аналогична джозефсоновскому контакту: частицы туннелируют между потенциальными «ямами», их число и фаза испытывают характерные осцилляции. Валерия Маслова и Нина Воронова разработали четырёхмодовую модель, учитывающую не только туннелирование между половинами кольца, но и переходы между компонентами псевдоспина, что приводит к возникновению новых режимов.
Главное открытие заключается в переключении поляризации. Обычно степень круговой поляризации жидкости демонстрирует гармонические колебания. Однако вблизи критического значения эти колебания становятся ангармоническими, а затем поляризация «самолокализуется», то есть перестаёт осциллировать и стабилизируется на определённом уровне. При точной настройке начальных условий в узкой области параметров поляризация одной из половин кольца может резко изменить знак на противоположный, в то время как другая половина продолжает осциллировать или остаётся самолокализованной. Ранее такой режим не был зарегистрирован ни в атомных, ни в поляритонных джозефсоновских контактах.
Важно отметить, что переключение достигается исключительно за счёт оптических средств. Изменяя положение лазерного пятна возбуждения относительно центра кольца, можно произвольно задавать начальный дисбаланс частиц между половинами, а поляризацией накачки – начальную степень круговой поляризации. Сила спин-орбитальной связи определяется геометрией кольца и положением барьеров.
Практическое значение работы заключается в том, что кольцевые поляритонные конфигурации представляют собой удобную платформу для полностью оптически управляемых спиновых переключателей. Эти устройства могут быть использованы в фотонных вычислительных системах и элементах квантовой информатики, где необходима быстрая и точная манипуляция поляризацией света без использования электрических контактов.
«В узком диапазоне параметров кольцевой поляритонный «джозефсоновский переход» способен скачком менять круговую поляризацию жидкости на противоположную — либо по всему кольцу, либо только на одной из его половин», – отметили в пресс-службе НИЯУ МИФИ.
Поляритонные конденсаты представляют собой системы, находящиеся в состоянии неравновесия, что накладывает определённые ограничения. Для наблюдения эффекта необходимо, чтобы поляритоны имели достаточно длительное время жизни. Однако, как демонстрируют авторы, учёт затухания не приводит к утрате многообразия режимов – распад лишь постепенно трансформирует систему из нелинейной динамики в линейную. Геометрическая конфигурация кольца обеспечивает возможность масштабирования: изменяя ширину кольца или смещая барьеры, можно регулировать интенсивность синтетического магнитного поля и программировать желаемый режим переключения. Исследование было выполнено при поддержке Российского научного фонда и опубликовано в журнале Physical Review B.
Учёные ищут способы ускорить вычисления не только с помощью света, но и с помощью квантовых технологий. Как рассказывала интернет-газета «ЖУК», в МАДИ разработали математический инструмент, который позволит квантовым компьютерам обучать нейросети в сотни раз быстрее классических систем. Новый «квантовый оракул» помогает находить решение в 326 раз быстрее классического перебора.