Фото: Nano Letters (2023). DOI: 10.1021/acs.nanolett.3c01021.

В принципе, если бы вы плавали в бассейне, наполненном сверхтекучей жидкостью, одного гребка было бы достаточно, чтобы проплыть бесконечное количество кругов. Это потому, что, в отличие от обычных жидкостей, таких как вода, сверхтекучие жидкости не оказывают сопротивления движению ниже определенной скорости.

Сверхтекучие вещества также ведут себя странно при перемешивании. «Если вы размешаете ведро воды, вы обычно получите только один большой вихрь», — объясняет Майкл Фрейзер из Центра исследований новых веществ RIKEN. «Но когда вы вращаете сверхтекучую жидкость, вы изначально создаете один вихрь. А когда вы вращаете ее быстрее, вы постепенно получаете все больше и больше вихрей одинакового размера».

Хотя это также наблюдается в жидком гелии и атомных системах, форма сверхтекучести проявляется в системе, состоящей из частицоподобных объектов, известных как поляритоны, в которых фотон света прочно соединяется с отрицательным электроном, связанным с положительной дыркой в полупроводнике. Исследователи хотят «расшевелить» такие системы, но это сложная задача, поскольку требует использования чрезвычайно высоких частот — в миллионы раз более высоких, чем те, которые необходимы для атомных систем.

Теперь Фрейзер и его коллеги использовали специально созданный лазерный луч, чтобы бескогерентно перемешивать такой поляритонный конденсат, создавая ансамбли вихрей.

«Эти конденсаты существуют уже более 15 лет, и с ними было сделано много интересных физических исследований», — говорит Фрейзер. «Но вращение поляритонной сверхтекучей жидкости, вызывающее скопление и свободное развитие множества вихрей, ранее не было достигнуто».

Команда создала специальную лазерную мешалку, объединив обычный лазерный луч с лучом, имеющим форму пончика. Частоты двух лучей немного отличались, и эта разность частот соответствовала частоте, необходимой для вращения поляритонов. Используя этот луч, исследователи могли контролировать их скорость и направление вращения, а также создавать вихри по своему желанию. Они даже показали, что чем быстрее вращение, тем больше вихрей можно захватить вблизи оси вращения.

Более того, полученные ими экспериментальные измерения хорошо согласовались с моделированием, основанным на теории.

«Таким образом, наша схема вращения позволяет изучать динамику самоупорядочяющихся вихрей на открытой диссипативной платформе, которая постоянно теряет и приобретает частицы», — объясняет Фрейзер. «Это особенно интересно, поскольку мы ожидаем, что он не только продемонстрирует новые вихревые явления, но и откроет возможности для изучения высококвантовых топологических фаз света».