Иллюстрация: Joonhyuk Kwon et al. / Nature Physics. Американские физики совсем недавно провели интересное исследование поведения поляритонов, квазичастиц, образованных на основе волн материи. Для этого они использовали оптическую решетку, в которой смешивали два простых энергетических уровня холодных атомов: один из них соответствовал «запертому» атому, другой – «свободному». В ходе эксперимента ученые наблюдали фазовый переход поляритонного конденсата из состояния моттовского изолятора в сверхтекучее состояние. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Physics. В традиционном представлении распространение квантов света в среде моделируется как последовательность процессов: поглощения, испускания и свободного пролета фотона до следующего атома. Однако реальный процесс более сложен. Волновая функция фотона, прошедшего через атом, представляет собой суперпозицию двух составляющих: одной, соответствующей не взаимодействовавшему фотону, и другой, описывающей фотон, который был поглощен и затем переизлучен.
В оптически плотной среде суперпозиция включает в себя взаимодействия со всеми атомами на пути фотона. Такую сложную картину можно описать, заменив фотон поляритоном — квазичастицей, чьи дисперсионные соотношения (в частности, эффективная масса и групповая и фазовая скорости) учитывают результат всей многоканальной интерференции.
Особого успеха физики достигли, смешивая свет не с атомами, а со связанными состояниями электрона и дырки в полупроводнике — экситонами. Это позволило создать условия для сильного эффективного фотон-фотонного взаимодействия, проявлениями которых стала поляритонная конденсация и многочастичные связанные состояния. Таким образом, поляритоны выглядят как перспективная платформа для квантовых симуляций, которая, однако, требует контроля диссипации и масштабируемости.
Группа физиков из Университета штата Нью-Йорк в Стоуни-Брук под руководством Доминика Шнебле (Dominik Schneble) предложила расширить возможности поляритоники, заменив свет на волны материи. В их исследовании роль среды играли атомы, запертые в минимумах оптической решетки, а роль света — те же атомы, но в возбужденном состоянии, в котором их можно описать в виде волн. Свойствами и взаимодействием новых частиц можно было легко управлять с помощью параметров наложенного микроволнового поля, а также характером модуляции оптической решетки. Это дало авторам возможность наблюдать фазовый переход поляритонов из моттовского в сверхтекучее состояние.
Сначала физики помещали конденсат из 10 тысяч атомов рубидия, находящихся в основном сверхтонком состоянии, в двумерную оптическую ловушку с большой глубиной. Перпендикулярно ей вдоль оси z они накладывали еще одну оптическую решетку (z-решетку), чья глубина в ходе эксперимента изменялась. Авторы облучали атомы микроволновым полем с частотой, близкой к частоте перехода из основного в возбужденное сверхтонкое состояние. Это приводило к гибридизации (суперпозиции) обоих уровней.
Длина волны и поляризация лазера, формирующего вторую решетку, были подобраны таким образом, чтобы верхнее состояние не испытывало никакого барьера при движении вдоль оси z. Такую ситуацию еще можно описать с помощью большой и малой эффективных атомных масс, соответствующих различным состояниям. Хотя верхняя волна была привязана к определенному месту в z-решетке, ее волновая функция простиралась в соседние ячейки. С некоторой вероятностью, которую контролировали экспериментаторы, это приводило к перескокам поляритонов.
(a) Схема экспериментальной установки. (b) Потенциал z-решетки, представленный горизонтально. Joonhyuk Kwon et al. / Nature Physics
Гибридизованные поляритонные моды также делились на верхнюю и нижнюю с соответствующими дисперсионными соотношениями. Физики увидели перекачку энергии между ними, накладывая гармоническую модуляцию на глубину z-решетки. При некоторых частотах этой модуляции эффективно возбуждались верхние поляритонные моды, что выражалось в большем разнообразии атомных импульсов, которое авторы фиксировали с помощью времяпролетной техники измерения.
Увиденное изменение в импульсах — это, по сути, переход между режимом моттовского изолятора к режиму сверхтекучего поляритонного конденсата. Чтобы окончательно убедиться в этом, физики исследовали зависимость ширины импульсных распределений от амплитуды модуляции. Полученная зависимость оказалась в хорошем согласии с моделированием. В будущем авторы надеются изучить на материально-волновых поляритонах более сложные эффекты, например топологические изоляторы.
Волны материи все чаще приходят на смену электромагнитным волнам. Недавно мы рассказывали, как интерферометр на основе таких волн помог создать переносной атомный гравиметр.
Автор: Марат Хамадеев
Источник: https://nplus1.ru/
