Международная группа физиков-теоретиков из Китая и России предложила и детально смоделировала новый способ управления экзотическими квантовыми объектами — «вихревыми молекулами». Эти устойчивые, вращающиеся пары или группы квантовых вихрей удалось сформировать в уникальной среде, известной как экситон-поляритонный конденсат. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review B.
В последние десятилетия физики проявляют огромный интерес к экситон-поляритонам — гибридным квазичастицам, которые являются своего рода химерой света и материи. Они рождаются в полупроводниковых микрорезонаторах, где фотоны (частицы света) и экситоны (возбужденные состояния электронов) настолько сильно взаимодействуют, что начинают вести себя как единое целое. Благодаря своей световой компоненте поляритоны обладают очень легкой массой — в сотни тысяч раз легче свободных электронов.Это свойство позволяет им формировать конденсат Бозе-Эйнштейна — особое состояние вещества, где множество частиц ведут себя как одна гигантская квантовая волна — при температурах, значительно превышающих те, что требуются для превращения обычных газов в конденсат Бозе-Эйнштейна, вплоть до комнатной. Эта «квантовая жидкость из света и материи» постоянно подпитывается энергией от внешнего лазера и одновременно теряет ее, что делает ее уникальной неравновесной системой, в которой наблюдается множество необычных и сложных физических явлений.
Одним из таких явлений являются квантовые вихри — крошечные торнадо в поляритонном конденсате, каждый из которых несет в себе квант вращения. Подобно тому как атомы могут объединяться в молекулы, ученые давно стремились заставить вихри образовывать стабильные связанные состояния, так называемые «вихревые молекулы». Однако на этом пути стояла фундаментальная проблема: вихри с одинаковым направлением вращения естественным образом отталкиваются друг от друга. Чтобы удержать их вместе, требовалась некая притягивающая сила. Предыдущие подходы предполагали создание искусственных «ловушек» или «колышков» путем локального изменения интенсивности лазерной накачки, но это лишало вихри свободы движения и мешало изучать их естественную динамику.
Коллектив ученых поставил перед собой задачу: создать условия, в которых вихри могли бы свободно двигаться и взаимодействовать, но при этом были бы ограничены в пространстве притягивающей силой. Решение оказалось столь же изящным, сколь и эффективным. Исследователи предложили использовать однородную лазерную накачку в виде диска с конечным, но не резким, а сглаженным краем.
Алексей Кавокин, директор Международного центра теоретической физики имени А. А. Абрикосова МФТИ, так прокомментировал суть подхода: «Мы искали способ создать для вихрей своего рода «идеальную игровую площадку», где два вихря не были бы привязаны к конкретным точкам, но держались бы вместе, образуя вихревую молекулу. Оказалось, что для этого не нужны сложные ухищрения и внешние силы. Наша модель показала, что сама природа поляритонного конденсата как открытой системы, где постоянно происходит приток и потеря энергии, порождает удивительный эффект. На границе области накачки возникает сила притяжения, которая мягко подталкивает вихри к центру, где они сближаются друг с другом и начинают вести себя как единая молекула. Граница области накачки, то есть граница света и тени, отражает налетающие на нее вихри подобно тому, как стенки чашки чая отражают водовороты, образующиеся, когда мы размешиваем в чае сахар. Внутри нашей световой «чайной чашки» вихри абсолютно свободны».
Используя численное моделирование на основе обобщенного уравнения Гросса-Питаевского, описывающего динамику конденсата, ученые поместили два вихря в такую световую ловушку и проследили за их движением. Вместо того чтобы разлететься, вихри начали исполнять сложный и упорядоченный парный танец. Их взаимное отталкивание было идеально сбалансировано силой, отталкивающей их от границы, в результате чего образовалась стабильная, динамически вращающаяся вихревая молекула.
Рисунок 1. Вихревые молекулы внутри волновых функций ψ+ и ψ- поляритонного конденсата в модели Гросс-Питаевского, которая задана уравнениями на рисунке. n+ и n- обозначают плотность экситонного резервуара, индексы ± соответствуют спиновым компонентам. Траектории от 1200 пс до 2280 пс изображены синими сплошными линиями и черными пунктирными линиями, белые стрелки указывают направление движения. Параметр LT поперечно-магнитного расщепления равен 1 МэВ, импульс kLT = 5 мкм-1. Распределение вихрей в двух компонентах: (a) Два вихря в ψ+ и ни одного вихря в ψ-. (б) Два вихря в обоих ψ+ и ψ-. Источник: Physical Review B.
Исследование выявило, что «хореография» этого квантового танца напрямую зависит от параметров лазерной накачки. При небольшом размере «танцпола» вихри движутся по идеальным круговым орбитам, словно в вальсе. По мере увеличения радиуса накачки их танец усложняется: траектории приобретают периодически меняющийся радиус, и вихри то приближаются, то удаляются друг от друга, сохраняя при этом общую вращательную динамику. При достижении определенного критического размера накачки возникает совершенно новый, поразительный режим движения, который авторы назвали спиральной траекторией. В этом режиме вихри совершают сложное движение, включающее закручивание вокруг локальных центров на фоне общего орбитального вращения.
Рисунок 2. Как меняется траектория вихревой молекулы при постепенном увеличении радиуса накачки. Панели с (d1) по (i1) представляют собой последовательность, где каждый следующий шаг соответствует большему «танцполу» для вихрей. В панели (e1) траектория уже не является идеальным кругом, она «дышит» — ее радиус периодически меняется. В панели (f1) впервые четко проявляется тот самый эффект «закручивания»: на основную, широкую орбиту вращения накладываются маленькие петли. Если присмотреться, можно увидеть, что общее движение идет против часовой стрелки, а эти маленькие петли вихрь закручивает по часовой стрелке. В панели (g1) этот эффект становится еще более выраженным. Петли-завихрения становятся крупнее и четче, демонстрируя полностью сформировавшуюся, сложную спиральную траекторию. Источник: Physical Review B.
Изменяя размер накачки, ее интенсивность и коэффициент диффузии экситонов, ученые смогли не только менять форму орбит, но и регулировать среднюю угловую скорость вращения молекулы. Им удалось добиться состояния с нулевой средней скоростью вращения и даже заставить молекулу вращаться в противоположном направлении.
Дальнейшие расчеты показали, что метод работает и для большего числа вихрей: три, четыре и даже пять вихрей способны самоорганизовываться в сложные, симметричные и стабильно вращающиеся молекулярные структуры, напоминающие шестеренки.
Рисунок 3. Формирование «квантовых шестеренок» в случае нескольких вихрей. Верхний ряд рисунка (панели (a1), (b1) и (c1)) показывает «фотографии» конденсата в определенный момент времени для трех, четырех и пяти вихрей соответственно. На них отчетливо видны темные точки — это и есть сами вихри, которые самоорганизовались в правильные геометрические фигуры: равносторонний треугольник (a1), квадрат (b1) и пятиугольник (c1). Поверх этих «фотографий» наложены цветные линии — это траектории движения вихрей. Они показывают, что эти симметричные структуры не стоят на месте, а стабильно вращаются как единое целое вокруг общего центра, что и рождает аналогию с «шестеренками». Нижний ряд рисунка (панели (a2), (b2) и (c2)) представляет собой графики, которые доказывают стабильность этого вращения. Синяя линия показывает, что радиальное положение каждого вихря со временем почти не меняется (лишь немного колеблется), а красная линия демонстрирует монотонное и практически линейное изменение угла, что свидетельствует о постоянной скорости вращения. Источник: Physical Review B.
Предложенная схема позволяет изучать истинную динамику взаимодействия вихрей в замкнутом объеме, причем притягивающая сила является внутренним свойством самой системы.
Это исследование не только углубляет наше понимание сложной физики неравновесных квантовых систем, но и предлагает конкретный инструментарий для создания управляемых квантовых объектов. Перспективы дальнейшей работы включают изучение влияния спиновых эффектов на динамику вихревых молекул, а также исследование самоорганизации еще более крупных и сложных вихревых кристаллов. «Танцующие» квантовые вихри могут стать основой для технологий будущего, где вычисления и передача информации будут осуществляться с помощью потоков света и материи.
Научная статья: Hu, J., Idrees, M., Zhang, K., Lin, J., Li, H., & Kavokin, A. (2025). Vortex molecules in exciton-polariton condensates formed by uniform nonresonant pumping. Physical Review B, 111(24), 245119. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.111.245119
