В Университете ИТМО физики превратили одиночные волны в конденсат.

Международная группа физиков, среди которых были и исследователи из Университета ИТМО, впервые зарегистрировала переход между двумя принципиально разными состояниями. Одно из них — распространяющийся поляритонный солитон, второе — конденсат Бозе — Эйнштейна. Физики объяснили такой переход и нашли способ управлять им, «переключая» разные состояния материи за счет изменения интенсивности лазерной накачки. Соответствующая статья опубликована в Physical Review Letters.

Поляритоны — это квазичастицы, возникающие при взаимодействии фотонов (электромагнитных волн) с колебаниями тех или иных сред, а солитон — это устойчивая одиночная волна, ведущая себя как частица. Для солитонов характерно сохранение своей структуры даже при очень длительном перемещении в пространстве и взаимодействии с другими возмущениями. Солитоны могут образовываться как результат коллективного возбуждения поляритонов. Наконец, конденсат Бозе — Эйнштейна — это особое агрегатное состояние материи, в котором все частицы переходят в основное квантовое состояние с минимальной энергией и равномерно распределяются по всей системе. Условно, солитон — это волна, распространяющаяся по среде, а конденсат Бозе — Эйнштейна — это когда вся среда ведет себя как одна большая волна.

Авторы новой работы сперва создали модель, с помощью которой рассчитали структуры из полупроводника с точно заданными свойствами — такими, чтобы при обстреле их лазером при температуре в 4 градуса по Кельвину они давали нужное по параметрам световое излучение от образовавшихся поляритонов. Затем такие полупроводниковые структуры были созданы и задействованы в серии экспериментов.

В опытах физики регистрировали испускаемый полупроводниковыми структурами свет, который позволял точно отследить, что именно в них происходит. Оказалось, что при увеличении мощности лазерной накачки в системе запускаются нелинейные эффекты — за счет того, что в ней становится все больше фотонов и порожденных ими поляритонов. Все они начинают взаимодействовать между собой, отчего система и переходит в нелинейный режим. Тогда из отдельных поляритонов образуются их согласованные группы — солитоны, а затем все они переходят в конденсат Бозе — Эйнштейна.

Новая работа имеет заметное фундаментальное значение, поскольку она описывает совершенно новое физическое явление — до сих пор переход солитонов в конденсат Бозе — Эйнштейна никем зарегистрирован не был. Однако авторы планируют извлечь из нее и конкретные прикладные результаты. Они намерены миниатюризировать устройства, пригодные для управляемого переключения от солитонов к конденсату Бозе — Эйнштейна. В теории такие переходы можно будет использовать для улучшения параметров систем связи или, например, для создания новых лазеров.