Поведение нелинейных оптических систем сейчас активно изучается специалистами в области фотоники. Взаимодействие между частицами в таких системах может вызывать необычные эффекты, например, нелинейные переходы между разными состояниями материи, среди которых выделяются поляритоный солитон и конденсат Бозе-Эйнштейна.
«Поляритоны ‒ это квазичастицы, гибриды материального возбуждения и кванта света. Системы взаимодействующих поляритонов могут объединяться в коллективные возбуждения, солитоны. Солитоны интересны тем, что сохраняют свою форму, двигаясь в пространстве. То есть, несмотря на то, что солитон состоит из множества частиц, он ведет себя как одна большая частица. А конденсат Бозе-Эйнштейна – это квантовое состояние материи, где все частицы, в нашем случае поляритоны, переходят в основное состояние с минимальной энергией и равномерно распределяются по всей системе. Это очень разные режимы, и нам удалось наблюдать переход между ними», ‒ объясняет Иван Шелых, руководитель Международной лаборатории фотопроцессов в мезоскопических системах Университета ИТМО.
Работа состояла из двух частей. Команда физиков под руководством Мориса Сколника из Университета Шеффилда получила экспериментальные данные. А теоретическая группа Университета ИТМО во главе с Иваном Шелых разработала модель, количественно описывающую экспериментальные наблюдения.
«Сначала нам нужно было создать поляритоны, ‒ рассказывает Морис Сколник. ‒ Для этого необходимо получить исходные структуры из полупроводника с точно заданными свойствами. Затем мы освещали эти структуры лазером при очень низкой температуре, 4 градуса по Кельвину, и регистрировали световое излучение от образовавшихся поляритонов».
Ученые увидели, что увеличение мощности лазерной накачки способно запустить нелинейные эффекты в системе.
«Увеличивая мощность лазера, мы создаем все больше частиц, которые начинают взаимодействовать между собой. Таким образом, система переходит в нелинейный режим. Из отдельных поляритонов образуются солитоны, а затем они переходят в конденсат Бозе-Эйнштейна. И все это мы можем наблюдать, регистрируя излучаемый свет. Мы получили интересные экспериментальные данные, но без теоретической базы нам не удалось бы понять, что они на самом деле значат», ‒ продолжает Морис.
Разработкой теории, объясняющей экспериментальные данные, занималась группа под руководством Ивана Шелых. Эта работа проводилась в рамках мегагранта Минобрнауки на исследование гибридных состояний света.
«Мегагрант дал нам возможность тесно и плодотворно сотрудничать с ведущими экспериментаторами из Шеффилда. За год совместной работы было написано две крупные статьи, объединяющие экспериментальные данные с теоретической базой. Кроме того, в рамках гранта в Университете ИТМО начала работать собственная лаборатория. В ней мы сможем самостоятельно продолжать эксперименты в области нелинейной фотоники после окончания гранта», ‒ отмечает Иван.
В дальнейшие планы ученых входит уменьшение размеров систем для создания нелинейных переходов до субволнового масштаба. Перспективы исследования описал Морис Сколник.
«Сейчас эта работа имеет главным образом фундаментальное значение: мы описали совершенно новое физическое явление. Но, когда мы создадим миниатюрные устройства, нелинейные переходы между разными состояниями материи можно будет использовать для телекоммуникации или, например, создания новых лазеров», – заключает он.
Cтатья: Transition from Propagating Polariton Solitons to a Standing Wave Condensate Induced by Interactions. M. Sich et al. Phys. Rev. Lett. 19 April 2018.
