Des chercheurs de Skoltech et leurs collègues du Royaume-Uni ont réussi à créer un vortex géant stable dans des condensats de polaritons en interaction, relever un défi connu dans la dynamique des fluides quantifiée. Les résultats ouvrent des possibilités de création de sources de lumière cohérentes à la structure unique et d'exploration de la physique à plusieurs corps dans des conditions extrêmes uniques. L'article a été publié dans la revue Communication Nature .

En dynamique des fluides, un vortex est une région où un fluide tourne autour d'un point (2D) ou d'une ligne (3D); vous en avez clairement vu un dans votre évier ou vous en avez peut-être ressenti un sous forme de turbulence en vol. Le monde quantique possède également des tourbillons :l'écoulement d'un fluide quantique peut créer une zone où les particules tournent de manière persistante autour d'un certain point. La signature prototypique de tels vortex quantiques est leur phase singulière au cœur du vortex.

Les professeurs Skoltech Natalia Berloff et Pavlos Lagoudakis et leurs collègues ont étudié les vortex créés par des polaritons - des particules quantiques hybrides étranges qui sont de la demi-lumière (photon) et de la demi-matière (électrons) - formant un fluide quantique dans les bonnes conditions. Ils cherchaient un moyen de créer des tourbillons dans ces fluides polaritons avec des valeurs élevées de moment angulaire (c'est-à-dire, les faire tourner rapidement). Ces tourbillons, également connu sous le nom de vortex géants, sont généralement très difficiles à obtenir car ils ont tendance à se séparer en de nombreux tourbillons plus petits avec un faible moment angulaire dans d'autres systèmes.

La création de tourbillons géants stables montre que les systèmes quantiques non équilibrés (ouverts), comme les condensats de polaritons, peuvent surmonter certaines limites sévères de leur contrepartie d'équilibre thermodynamique telles que les condensats de Bose-Einstein d'atomes froids. Le contrôle de la vorticité d'un fluide quantique pourrait ouvrir de nouvelles perspectives sur la simulation analogique de la gravité ou de la dynamique des trous noirs dans le monde microscopique. De plus, le condensat de polaritons émet en continu des photons qui transportent toutes les subtilités du vortex qui pourraient devenir importantes pour le stockage de données optiques, Distribution, et le traitement des demandes.

Les chercheurs travaillaient sur l'utilisation de condensats de polaritons en interaction comme candidats pour simuler un modèle vectoriel planaire connu sous le nom de modèle XY. Ils ont réalisé que lorsque plusieurs condensats étaient disposés en un polygone régulier avec un nombre impair de sommets, l'état fondamental de l'ensemble du système pouvait correspondre à un courant de particules le long du bord du polygone. En partant d'un triangle, Pentagone, heptagone, etc, les auteurs ont montré que le courant tournait de plus en plus vite, formant un vortex géant de moment angulaire variable.

"La formation d'écurie dans le sens des aiguilles d'une montre, ou dans le sens inverse des aiguilles d'une montre, les courants de polaritons le long du périmètre de nos polygones peuvent être considérés comme le résultat d'une frustration géométrique entre les condensats. Les condensats interagissent comme des oscillateurs qui veulent être en opposition de phase les uns avec les autres. Mais un polygone impair ne peut pas satisfaire cette relation de phase en raison de sa symétrie de rotation, et donc les polaritons se contentent de la meilleure chose suivante qui est un courant rotatif, " dit le premier auteur Tamsin Cookson.

« C'est une très belle démonstration de la façon dont les polaritons peuvent fournir un bac à sable très flexible pour sonder certains des phénomènes les plus complexes de la nature. Ce que nous montrons ici est un système qui partage de nombreuses caractéristiques avec un trou noir, qui émet encore, un trou blanc si vous le souhaitez. » ajoute le professeur Lagoudakis.