Formation spontanée d'un vortex quantique à charges multiples dans un condensat de polaritons pompé en anneau par intégration numérique des équations. (3) et (4). Des instantanés de la densité (rangée du haut) et de la phase (rangée du bas) sont affichés à divers stades de la formation du condensat. Pour plus de clarté, chaque profil de densité est redimensionné aux maxima unitaires. Les profils de pompage sont superposés en noir (en unités de P), montrant la séparation spatiale entre la pompe et le condensat. (a) Au début de la formation du condensat, en raison de la géométrie de la pompe, l'interférence des ondes de matière conduit à des zéros annulaires dans la fonction d'onde. (b) Ces singularités d'anneau sont instables à l'instabilité dynamique, deviennent asymétriques et peuvent être observés se briser en tourbillons unitaires plus stables à mesure que le condensat continue de se développer. (c) Le condensat remplit une région en forme de disque avec une quasi-uniformité à l'intérieur de la pompe annulaire, mais les tourbillons restants interagissent de manière chaotique. La turbulence du vortex finit par décroître, laissant une charge topologique nette [48, 49]. Répéter ces simulations avec différentes conditions initiales aléatoires, la magnitude et le signe du tourbillon final varient. Ici,
Quiconque a vidé une baignoire ou mélangé de la crème dans du café a vu un vortex, une formation omniprésente qui apparaît lorsque le fluide circule. Mais contrairement à l'eau, les fluides régis par les règles étranges de la mécanique quantique ont une restriction particulière :comme cela a été prédit pour la première fois en 1945 par le futur lauréat du prix Nobel Lars Onsager, un vortex dans un fluide quantique ne peut se tordre que d'unités entières.
Ces structures rotatives devraient être largement utiles pour tout étudier, des systèmes quantiques aux trous noirs. Mais tandis que le plus petit vortex quantique possible, avec une seule unité de rotation, a été vu dans de nombreux systèmes, les plus gros tourbillons ne sont pas stables. Alors que les scientifiques ont tenté de forcer de plus gros tourbillons à se maintenir ensemble, les résultats sont mitigés :lorsque les tourbillons se sont formés, la sévérité des méthodes utilisées a généralement détruit leur utilité.
Maintenant, Samuel Alperin et le professeur Natalia Berloff de l'Université de Cambridge ont découvert un mécanisme théorique par lequel les vortex quantiques géants sont non seulement stables mais se forment d'eux-mêmes dans des fluides par ailleurs presque uniformes. Les résultats, publié dans la revue Optique , pourrait ouvrir la voie à des expériences qui pourraient donner un aperçu de la nature des trous noirs en rotation qui présentent des similitudes avec les vortex quantiques géants.
Pour faire ça, les chercheurs ont utilisé un hybride quantique de lumière et de matière, appelé polariton. Ces particules sont formées en projetant une lumière laser sur des matériaux spécialement stratifiés. "Quand la lumière est piégée dans les couches, la lumière et la matière deviennent inséparables, et il devient plus pratique de considérer la substance résultante comme quelque chose de distinct de la lumière ou de la matière, tout en héritant des propriétés des deux, " dit Alpérin, un doctorat étudiant au Département de Mathématiques Appliquées et de Physique Théorique de Cambridge.
L'une des propriétés les plus importantes des polaritons vient du simple fait que la lumière ne peut pas être piégée pour toujours. Un fluide de polaritons, ce qui nécessite une forte densité des particules exotiques, expulse constamment de la lumière, et doit être alimenté par la lumière fraîche du laser pour survivre. "Le résultat, " dit Alpérin, "est un fluide qui ne se dépose jamais, et qui n'a pas besoin d'obéir à des restrictions généralement basiques en physique, comme la conservation de l'énergie. Ici, l'énergie peut changer dans le cadre de la dynamique du fluide."
Ce sont précisément ces flux constants de lumière liquide que les chercheurs ont exploités pour permettre à l'insaisissable vortex géant de se former. Au lieu de diriger le laser sur le fluide polariton lui-même, la nouvelle proposition a la lumière en forme d'anneau, provoquant un flux entrant constant similaire à la façon dont l'eau s'écoule vers un drain de baignoire. Selon la théorie, ce flux est suffisant pour concentrer toute rotation en un seul vortex géant.
« Que le vortex géant puisse réellement exister dans des conditions propices à leur étude et à leur utilisation technique était assez surprenant, " Alpérin dit, "Mais en réalité, cela montre à quel point l'hydrodynamique des polaritons est totalement distincte des fluides quantiques plus bien étudiés. C'est un territoire passionnant."
Les chercheurs disent qu'ils n'en sont qu'au début de leurs travaux sur les vortex quantiques géants. Ils ont pu simuler la collision de plusieurs vortex quantiques alors qu'ils dansaient les uns autour des autres à une vitesse toujours croissante jusqu'à ce qu'ils entrent en collision pour former un seul vortex géant analogue à la collision des trous noirs. Ils ont également expliqué les instabilités qui limitent la taille maximale du vortex tout en explorant la physique complexe du comportement du vortex.
« Ces structures ont des propriétés acoustiques intéressantes :elles ont des résonances acoustiques qui dépendent de leur rotation, alors ils chantent en quelque sorte des informations sur eux-mêmes, " dit Alperin. " Mathématiquement, c'est assez analogue à la façon dont les trous noirs en rotation diffusent des informations sur leurs propres propriétés. »
Les chercheurs espèrent que la similitude pourrait conduire à de nouvelles connaissances sur la théorie de la dynamique des fluides quantique, mais ils disent aussi que les polaritons pourraient être un outil utile pour étudier le comportement des trous noirs.
