Исследователи из Сколтеха, Исландского университета и Саутгемптонского университета показали, как формируется ранее не наблюдавшийся объект из области квантовой физики, представляющий собой кластер оптических вихрей с периодически меняющимися зарядами. Результаты фундаментальных исследований оптических вихрей имеют перспективы практического применения в оптической микроскопии, квантовой криптографии, оптической связи с расширенной полосой пропускания, аналоговых вычислениях. Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters и анонсировано на его обложке.
Оптический вихрь – это поток света, фаза которого закручена по спирали вокруг оси распространения луча. При проецировании на плоскость он имеет вид кольца с интенсивностью равной нулю в центре. Вихрь характеризуется так называемым топологическим зарядом, то есть числом, обозначающим “скорость” и направление его вращения.
Как сообщают авторы исследования, им удалось обнаружить четыре вихря в виде кластера и пронаблюдать периодические изменения их зарядов с интервалом в одну пятую наносекунды. Если кластеры и решетки из оптических вихрей удавалось наблюдать и ранее, то о таких быстрых изменениях зарядов сообщается впервые.
Оптические вихри открывают уникальные возможности для расширения полосы пропускания в волоконно-оптических линиях связи. Известно, что количество каналов связи, которые можно «упаковать» в оптическое волокно, ограниченно, а значит, ограниченна и его пропускная способность. Однако, если два вихря (при одинаковой длине волны света) различаются по заряду, то они оба могут занимать один канал не взаимодействуя друг с другом. Такая технология уплотнения каналов связи называется мультиплексированием.
Еще одно перспективное применение оптических вихрей − оптический пинцет, представляющий собой лазерный луч для удержания или перемещения микроскопических объектов, например, атомов, наночастиц и даже живых клеток. Эта технология начала применяться еще в 80-х годах прошлого века, но ее можно усовершенствовать с помощью оптических вихрей, которые позволят захватывать объект и вращать его за счет того, что вихрь обладает определенным зарядом.
Экспериментальная часть исследований проводилась в Лаборатории гибридной фотоники Сколтеха под руководством вице-президента Сколтеха по фотонике, профессора Павлоса Лагудакиса. В экспериментах вихри создавались в экситон-поляритонном конденсате в полупроводниковом микрорезонаторе. Такая система состоит из двух близко расположенных друг к другу зеркал с высоким коэффициентом отражения, между которыми находятся квантовые ямы. Это обеспечивает локализацию света и т.н. сильную связь фотонов с полупроводниковой средой, что в свою очередь приводит к формированию поляритонов – квазичастиц, представляющих собой связанные состояния электронов и дырок в полупроводнике, а также фотонов внутри микрорезонатора.
«Сложность состояла в том, чтобы удостовериться, что ориентация зарядов вихрей носит случайный характер, чтобы в итоге система сама организовалась в упорядоченный кластер. Поэтому просто встроить в нашу систему вихревую решетку при помощи лазера мы не могли – в результате мы получили бы вихри с заранее определенными зарядами, а спонтанность процесса полностью исчезла бы», − рассказывает первый автор статьи, аспирант Сколтеха Кирилл Ситник.
«Для возбуждения поляритонов мы использовали лазерное излучение. Когда мощность возбуждения достигала критических значений, часть поляритонов локализовалась внутри оптически индуцированной ловушки. Таким образом, поляритонный конденсат находился в суперпозиции макроскопических квантованных состояний с периодическими колебаниями зарядов вихрей», − комментирует руководитель исследования, профессор Павлос Лагудакис.
Исследование проводилось при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований; Проект № 20-32-90128. В состав исследовательской группы помимо Кирилла Ситника и Павлоса Лагудакиса вошли научные сотрудники Сколтеха Сергей Аляткин и Тамсин Куксон, аспирант Сколтеха Иван Гнусов и научный сотрудник Исландского университета и Саутгемптонского университета Хельги Сигурдссон.