Ученые из ИТМО предложили точную модель для описания «охлаждения» или потери «лишней» энергии у особого вида квантовой жидкости — поляритонного конденсата. Для этого физики переписали основное уравнение, добавив в него новое слагаемое, описывающее перераспределение энергии в системе без потери частиц. Новый подход позволит точнее моделировать поведение квантовых сред — в перспективе это пригодится при создании элементов оптических вычислительных систем, энергоэффективных фотонных чипов и других квантовых оптических устройств нового поколения. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review B.

^{Источник: Eilvee / Фотобанк Фотодженика}

Поляритоны — это гибридные квазичастицы, возникающие при сильном взаимодействии фотона и экситона (связанное состояние электрона и «дырки» — пустого места на месте электрона в атоме) в оптическом микрорезонаторе. Благодаря смешанной природе они обладают свойствами как света, так и материи: имеют малую эффективную массу и могут проявлять различные нелинейные оптические эффекты.

При высокой плотности и сильной связи между светом и веществом эти квазичастицы образуют поляритонный конденсат — особый вид квантовой жидкости. При низких температурах такая система «охлаждается», то есть теряет энергию: поляритоны в возбужденных состояниях взаимодействуют с другими частицами и переходят на более низкие энергетические уровни. Этот процесс называется релаксацией энергии поляритонов — его изучение помогает лучше понимать, как управлять динамикой и состоянием квантовых жидкостей света. До недавнего времени модели, описывающие такую релаксацию, были чрезвычайно сложными, и потому их не удавалось использовать для анализа динамики конденсата.

На основе методов квантовой гидродинамики ученые из ИТМО предложили новый теоретический подход, который учитывает эффект релаксации энергии в рамках приближения среднего поля. В предложенной модели энергия системы со временем убывает, но при этом сохраняется общее число частиц. Для этого исследователи ввели в фундаментальное уравнение Гросса-Питаевского дополнительный член, отвечающий за чистую энергетическую релаксацию — процесс затухания энергии без потери поляритонов. По сути, новое уравнение позволяет описать «охлаждение» конденсата без его «испарения», чего раньше сделать не удавалось. Благодаря простой аналитической форме полученное уравнение можно легко использовать в численных расчетах поляритонных конденсатов и других.

^{Изменение плотности поляритонного конденсата и формирование волновых возмущений. Моделирование показывает, как слабые шумовые флуктуации вызывают появление пространственных модуляций и характерного спектра возбуждений. Изображение предоставлено учеными}

^{Эволюция поляритонного конденсата во времени. Моделирование показывает, как во времени изменяются спектр и пространственная структура квантовой жидкости под действием слабых возмущений. Изображение предоставлено учеными}

Для проверки предложенного механизма физики провели серию расчетов и численных моделирований. Они изучили, как в квантовой жидкости распространяются волны и сохраняется ли при этом сверхтекучесть — способность жидкости течь без трения. Результаты показали, что чистая релаксация энергии не нарушает сверхтекучее состояние, а лишь вызывает дополнительные эффекты в системе, в том числе постепенное затухание надконденсатных возбуждений. Разработанный метод можно использовать для анализа реальных экспериментов с микрорезонаторами.

Новый подход позволит точнее описывать и управлять сверхтекучими потоками света и материи — это открывает возможности для разработки квантовых оптических устройств нового поколения: когерентных источников света, квантовых симуляторов, элементов оптических вычислительных систем и энергоэффективных фотонных чипов.

«Мы развиваем предложенную модель, стремясь максимально приблизить ее к экспериментальным условиям. Для этого мы включаем в нее новые параметры: внешнюю лазерную накачку и конечное время жизни поляритонов, — и исследуем, как их введение влияет на поведение системы. Мы бы хотели создать единую многоуровневую теорию, описывающую динамику поляритонных микрорезонаторов в режиме непрерывной накачки. Новый подход создаст основу для более точного моделирования и проектирования поляритонных лазеров, а также спин-оптических устройств для управления когерентностью и энергетическими характеристиками света — это важно для развития современных оптических и квантовых технологий», — рассказала первый автор исследования, сотрудник Нового физтеха ИТМО Дарья Салтыкова.