En utilisant une combinaison spéciale de faisceaux laser comme agitateur très rapide, les physiciens de RIKEN ont créé plusieurs vortex dans un système photonique quantique et ont suivi leur évolution. Ce système pourrait être utilisé pour explorer une nouvelle physique exotique liée à l’émergence d’états quantiques à partir de la matière vortex. La recherche est publiée dans la revue Nano Letters .

En principe, si vous deviez nager dans une piscine remplie d’un superfluide, un seul mouvement suffirait pour parcourir un nombre infini de tours. En effet, contrairement aux fluides normaux comme l'eau, les superfluides n'ont aucune résistance au mouvement en dessous d'une certaine vitesse.

Les superfluides se comportent également bizarrement lorsqu’ils sont agités. "Si vous remuez un seau d'eau, vous obtenez généralement un seul gros vortex", explique Michael Fraser du Centre RIKEN pour la science des matières émergentes. "Mais lorsque vous faites tourner un superfluide, vous créez initialement un vortex. Et lorsque vous le faites tourner plus rapidement, vous obtenez progressivement de plus en plus de vortex exactement de la même taille."

Bien que cela soit également observé dans l'hélium liquide et les systèmes atomiques, une forme de superfluidité se manifeste par un système composé d'entités semblables à des particules appelées polaritons, dans lesquelles un photon de lumière se couple fortement avec un électron négatif lié à un trou positif dans un semi-conducteur. . Les chercheurs veulent « remuer » de tels systèmes, mais cela représente un défi car cela nécessite l'utilisation de fréquences extrêmement élevées, des millions de fois plus rapides que celles nécessaires aux systèmes atomiques.

Aujourd'hui, Fraser et ses collègues ont utilisé un faisceau laser spécialement conçu pour remuer de manière incohérente un tel condensat de polariton, créant ainsi des ensembles de vortex.

"Ces condensats existent depuis plus de 15 ans et de nombreux travaux de physique intéressants ont été réalisés avec eux", explique Fraser. "Mais la rotation d'un superfluide polariton provoquant la collecte et l'évolution libre de multiples vortex n'avait pas été réalisée auparavant."

L’équipe a créé son agitateur à faisceau laser spécial en combinant un faisceau laser ordinaire avec un autre en forme de beignet. Les fréquences des deux faisceaux étaient légèrement décalées et cette différence de fréquence correspondait à la fréquence nécessaire pour faire tourner les polaritons. Grâce à ce faisceau, les chercheurs ont pu contrôler leur vitesse et leur sens de rotation, et créer des vortex à volonté. Ils ont même montré que plus la rotation était rapide, plus il était possible de capturer de tourbillons proches de l'axe de rotation.

De plus, les mesures expérimentales obtenues concordaient bien avec les simulations basées sur la théorie.

"Notre schéma de rotation permet ainsi l'étude de la dynamique des vortex auto-ordonnés dans une plate-forme ouverte et dissipative, qui perd et gagne continuellement des particules", explique Fraser. "C'est particulièrement excitant car non seulement nous nous attendons à ce qu'il présente de nouveaux phénomènes de vortex, mais cela ouvre également des opportunités pour étudier les phases topologiques hautement quantiques de la lumière."

Plus d'informations : Yago del Valle-Inclan Redondo et al, Rotation optiquement pilotée des condensats exciton-polariton, Nano Letters (2023). DOI :10.1021/acs.nanolett.3c01021

Informations sur le journal : Lettres nano

Fourni par RIKEN