Des chercheurs de Skoltech, de l'Université d'Islande et de l'Université de Southampton ont démontré la formation d'une étrange entité inédite du domaine de la physique quantique :un amas de vortex optiques avec retournement de charge périodique. Les études fondamentales des tourbillons optiques promettent des applications dans la microscopie optique, la cryptographie quantique, la communication optique à bande passante améliorée, le calcul analogique et la technologie des pincettes optiques. La recherche a été publiée dans Physical Review Letters et présenté sur la couverture du numéro.

Un vortex optique est une lumière enroulée comme une spirale autour de son axe de propagation. Projeté sur une surface plane, il apparaît comme un anneau avec une tache sombre au milieu. Un vortex a ce qu'on appelle une charge topologique, que vous pouvez considérer comme un nombre indiquant à quelle vitesse il tourne et dans quelle direction.

L'étude récente rapporte comment ses auteurs ont réussi à induire quatre tourbillons de ce type sous forme de cluster et ont détecté que leurs charges variaient de manière régulière, commutant avec une période d'un cinquième de nanoseconde. Alors que des amas ou des réseaux de vortex optiques avaient déjà été observés, une oscillation de charge aussi rapide est signalée pour la première fois.

Ce qui rend les tourbillons optiques intéressants

Les tourbillons optiques en tant que tels offrent une opportunité intrigante de surmonter la limitation de la bande passante des lignes de communication à fibre optique. Il n'y a qu'un nombre limité de canaux de transmission que vous pouvez emballer dans une fibre optique, ce qui signifie qu'il y a une limite de bande passante. Cependant, deux tourbillons même à la même longueur d'onde de lumière pourraient être distingués par leur charge, donc d'une certaine manière ils occupent des canaux distincts. Une telle "multiplication" de canal est connue sous le nom de multiplexage.

Une autre application passionnante est la pince optique. Ce sont des faisceaux laser spécialement préparés pour maintenir ou manipuler des objets microscopiques tels que des atomes, des nanoparticules ou même des cellules biologiques. Utilisée depuis les années 1980, cette technologie de pince à épiler pourrait être améliorée à l'aide de vortex optiques, ce qui permettrait de piéger un objet dans un anneau de lumière et de le faire tourner, grâce à la nature tournante du vortex.

Comment créer un cluster de vortex optique avec retournement de charge périodique

Les expériences ont été menées dans le laboratoire de photonique hybride de Skoltech, dirigé par le professeur Pavlos Lagoudakis, vice-président de l'Institut pour la photonique. Les tourbillons de l'étude ont été générés dans un système connu sous le nom de polaritons d'excitons de microcavité.

Dans les expériences, les chercheurs ont utilisé une structure de microcavité semi-conductrice - deux miroirs très réfléchissants étroitement espacés avec des puits quantiques pris en sandwich entre eux. Cela permet la localisation de la lumière et une forte interaction avec le milieu semi-conducteur, donnant naissance à des quasi-particules appelées polaritons - états couplés des électrons et des trous dans le matériau et des photons dans le faisceau laser incident.

"Le hic, c'était que nous devions nous assurer que la charge de chaque vortex était aléatoire au départ et évoluerait librement selon les règles dynamiques quantiques du condensat. Cela signifie que le système organiserait spontanément ses vortex, ce qui impliquerait un comportement émergent. Donc nous ne pouvions pas simplement imprimer un réseau de tourbillons dans notre système avec un laser, car cela créerait des tourbillons avec des charges connues et supprimerait toute spontanéité », a déclaré le premier auteur de l'article, Skoltech Ph.D. l'étudiant Kirill Sitnik, a commenté.

"Nous avons excité des polaritons avec un faisceau laser en forme d'anneau. À la puissance d'excitation critique, certains des polaritons localisés à l'intérieur d'un piège efficace induit optiquement, occupant une superposition d'états quantifiés macroscopiques avec des tourbillons auto-arrangés oscillant de manière périodique", a déclaré le chercheur. a déclaré le PI Pavlos Lagoudakis de l'étude. + Explorer plus loin

Les chercheurs utilisent des nanoparticules de silicium pour visualiser la coalescence des tourbillons quantifiés qui se produisent dans l'hélium superfluide