Estudo mostra que o condensado de polariton pode ocupar dois níveis de energia para formar aglomerados de vórtices quantizados

Em um artigo publicado no Letras de Física Aplicada journal, um grupo de cientistas demonstrou que sob excitação óptica, um condensado de polariton pode ocupar simultaneamente dois níveis de energia próximos, o que resulta na formação de aglomerados de vórtices quantizados. Os resultados do estudo são proeminentes para pinças ópticas, aumentando a largura do canal de transmissão de dados em linhas de comunicação óptica e outras áreas de pesquisa.

O novo estudo é baseado em trabalhos anteriores sobre vórtices ópticos — feixes ópticos que têm sua fase torcida em uma espiral ao redor do eixo de propagação. Em 2022, pesquisadores da Skoltech, junto com seus colegas da Universidade da Islândia e da Universidade de Southampton, foram os primeiros a mostrar como um aglomerado de vórtices quantizados com cargas periodicamente invertidas é formado em condensados ​​de polariton.

Os autores observaram experimentalmente um aglomerado de quatro vórtices e detectaram inversões periódicas dos sinais de suas cargas com um intervalo de um quinto de nanossegundo.

“Polaritons são quase-partículas consistindo de luz e matéria. Eles podem formar um estado coerente macroscópico — condensado de Bose-Einstein. Este estado se comporta, grosso modo, como uma partícula e é descrito por uma única função de onda”, diz Kirill Sitnik, o primeiro autor do estudo, um cientista pesquisador júnior no Laboratório de Fotônica Híbrida do Skoltech Photonics Center.

“Mas a condensação de polaritons em microrressonadores inorgânicos não é alcançada em temperatura ambiente, mas em temperaturas extremamente baixas. Portanto, para observar a condensação de polaritons, colocamos a amostra na qual eles aparecem em um criostato, onde é resfriada a quatro graus Kelvin.”

“Em 2006, foi demonstrado que os polaritons podem exibir a mesma física que átomos frios, como a formação de vórtices quantizados. Ao mesmo tempo, a técnica experimental para atingir o condensado é muito mais simples. Portanto, estamos investigando a física dos condensados ​​em polaritons”, continuou Sitnik.

“Descobrimos que quando um condensado de polariton é excitado opticamente e capturado em uma armadilha óptica, ele pode ocupar simultaneamente dois níveis de energia próximos, o que pode formar aglomerados de vórtices quantizados com cargas topológicas que mudam periodicamente.”

Os experimentos revelaram dois estados espaciais correspondentes a diferentes níveis de energia devido à implementação de uma armadilha elíptica em vez da armadilha circular mais comumente usada. Inversões periódicas do sinal da carga topológica são causadas pelas batidas entre esses estados, o que leva a mudanças periódicas na direção de rotação do vórtice.

A equipe de pesquisa da Skoltech variou a elipticidade da armadilha óptica em seus experimentos e, assim, controlou a frequência de inversões de sinal de carga topológica de vórtices quantizados em condensados ​​de polaritons.

Para confirmar teoricamente os resultados experimentais, os autores usaram um modelo de um oscilador harmônico quântico, que demonstrou uma tendência de ajuste de frequência bem definida e previsível. O modelo também prevê o comportamento não linear dessa frequência.