Wervels creëren in een supervloeistof gemaakt van licht

Door een speciale combinatie van laserstralen als zeer snelle roerder te gebruiken, hebben RIKEN-natuurkundigen meerdere wervels in een kwantumfotonisch systeem gecreëerd en hun evolutie gevolgd. Dit systeem zou kunnen worden gebruikt om exotische nieuwe natuurkunde te onderzoeken die verband houdt met het ontstaan ​​van kwantumtoestanden uit vortexmaterie. Het onderzoek is gepubliceerd in het journaal Nano-brieven.

Als je in een zwembad met supervloeistof zou zwemmen, zou in principe één enkele slag voldoende zijn om een ​​oneindig aantal baantjes te zwemmen. Dat komt omdat, in tegenstelling tot normale vloeistoffen zoals water, supervloeistoffen geen weerstand hebben tegen beweging onder een bepaalde snelheid.

Supervloeistoffen gedragen zich ook vreemd als ze worden geroerd. ‘Als je een emmer water roert, krijg je doorgaans maar één grote draaikolk’, legt Michael Fraser van het RIKEN Center for Emergent Matter Science uit. “Maar als je een supervloeistof roteert, creëer je in eerste instantie één vortex. En als je hem sneller roteert, krijg je steeds meer wervels van precies dezelfde grootte.”

Hoewel het ook voorkomt in vloeibaar helium en atomaire systemen, wordt een vorm van superfluïditeit weergegeven door een systeem dat bestaat uit deeltjesachtige entiteiten die bekend staan ​​als polaritonen, waarin een foton van licht sterk koppelt aan een negatief elektron dat is gebonden aan een positief gat in een halfgeleider. . Onderzoekers willen dergelijke systemen ‘in beroering’ brengen, maar dit is een uitdaging omdat hiervoor extreem hoge frequenties nodig zijn – miljoenen keren sneller dan die nodig zijn voor atomaire systemen.

Nu hebben Fraser en collega’s een speciaal vervaardigde laserstraal gebruikt om zo’n polaritoncondensaat op onsamenhangende wijze in beweging te brengen, waardoor ensembles van wervels ontstaan.

‘Deze condensaten bestaan ​​al meer dan vijftien jaar en er is veel interessante natuurkunde mee gedaan’, zegt Fraser. “Maar rotatie van een superfluïde polariton, waardoor meerdere wervels zich verzamelen en vrijelijk evolueren, was nog niet eerder bereikt.”

Het team creëerde hun speciale laserstraalroerder door een gewone laserstraal te combineren met een laserstraal in de vorm van een donut. De frequenties van de twee bundels waren enigszins afwijkend, en dit frequentieverschil kwam overeen met de frequentie die nodig is om polaritonen te roteren. Met behulp van deze straal konden de onderzoekers hun snelheid en rotatierichting regelen en naar believen wervels creëren. Ze toonden zelfs aan dat hoe sneller de rotatie was, hoe meer wervels dicht bij de rotatie-as konden worden opgevangen.

Bovendien kwamen de experimentele metingen die ze verkregen goed overeen met simulaties op basis van theorie.

“Ons rotatieschema maakt dus de studie mogelijk van zelfordende vortexdynamiek in een open-dissipatief platform – een platform dat voortdurend deeltjes verliest en wint”, legt Fraser uit. “Dit is vooral opwindend omdat we niet alleen verwachten dat het nieuwe vortexverschijnselen zal vertonen, maar het ook mogelijkheden opent om zeer kwantum-topologische fasen van licht te bestuderen.”