Физики МИФИ изучили необычные свойства «жидкого света»
В НИЯУ МИФИ теоретически разобрали, как ведёт себя свет в микроскопическом кольце из экситонных поляритонов — так называют «жидкий свет». Работу выполнили на кафедре теоретической ядерной физики. Публикация вышла в Physical Review B, поддержку оказал Российский научный фонд (грант № 24-22-00426). Об этом сообщает сайт Атомная энергия 2.0.
Поляритоны — квазичастицы, рождающиеся в полупроводниковом микрорезонаторе: фотон многократно переизлучается, взаимодействуя со связанной парой электрон—дырка, то есть экситоном. Как бозоны, они собираются в конденсат при температурах куда выше, чем ультрахолодные атомные газы. Псевдоспин им достался от поляризации фотона и спина экситона, а спин-орбитальное взаимодействие встроено изначально: оно вырастает из расщепления TE- и TM-мод и особенно заметно в кольцевых структурах.
Объект — кольцо с внутренним радиусом 10 мкм и внешним 12 мкм. Два потенциальных барьера делят его на половины, и такая геометрия повторяет бозе-эйнштейновский джозефсоновский контакт: частицы туннелируют между ямами, а их число и фаза осциллируют. Валерия Маслова и Нина Воронова построили модель с четырьмя модами — в ней учтены и туннелирование между половинами (внешний эффект Джозефсона), и переходы между компонентами псевдоспина (внутренний).
Степень круговой поляризации (DCP) обычно колеблется гармонически. У критического значения, которое зависит от плотности частиц и силы спин-орбитальной связи, колебания становятся ангармоническими, после чего поляризация самолокализуется и застывает на одном уровне. При тонкой настройке начальных условий DCP одной половины кольца скачком меняет знак — другая в это время продолжает осциллировать либо остаётся самолокализованной. Такой «режим переключения поляризации» в атомных и поляритонных джозефсоновских контактах прежде не встречался.
Переключение достигается чисто оптически. Положение лазерного пятна относительно центра кольца задаёт начальный дисбаланс частиц, поляризация накачки — стартовую DCP, а ширина кольца и расположение барьеров определяют силу спин-орбитальной связи.
Поляритонные конденсаты неравновесны и диссипативны, поэтому нужны долгоживущие частицы: в опытах последнего десятилетия время жизни доходит до сотни пикосекунд — этого хватает на макроскопическое течение в сотни микрон. Простейший учёт затухания, как мнимой добавки к энергии, богатства режимов не уничтожает: распад постепенно переводит систему из нелинейной динамики в линейную.
Кольцевые конфигурации удобны как платформа для спиновых переключателей, которыми управляют только светом. Применение — фотонные вычислительные системы и элементы квантовой информатики, где поляризацией света нужно манипулировать быстро и точно, без электрических контактов. Геометрия даёт масштабируемость: сдвигая барьеры или меняя ширину кольца, настраивают синтетическое магнитное поле и «программируют» нужный режим. Предсказаны и нетривиальные пространственные картины — когда половины кольца оказываются в разных, ферромагнитной или антиферромагнитной, конфигурациях и сменяют друг друга, не выходя на стационар.
