Лазерный луч, закрученный в спираль, позволяет создать квантовые "водовороты"

Ученые-физики из австралийского Национального университета разработали технологию закручивания луча лазера в спираль и использовали этот луч для создания "водоворота" гибридных частиц света-материи, называемых поляритонами. Поляритоны - это квазчиастицы, обладающие одновременно свойствами света и материи. Долгое время ученые могли лишь создавать эти квазичастицы, но управлять и манипулировать ими не удавалось при помощи любых доступных методов. А ведь такой контроль поведения поляритонов представляет собой весьма перспективное направление, при помощи квазичастиц можно создать абсолютно новые технологии, связывающие обычную электронику с лазерными или оптоволоконными технологиями.


Поляритоны формируются на поверхности полупроводниковых материалов, когда свет лазера начинает особым образом взаимодействовать со свободными электронами и электронными вакансиями в кристаллической решетке, так называемыми электронными дырками, которые являются носителями положительного электрического заряда. Возникающие при этом силы взаимодействия настолько велики, что по большинству свойств образования из поляритонов невозможно отличить от таких же образований из обычной материи.

Ученые создали закрученный луч, проведя свет лазера через отверстие, маску, грани которой имели спиральную нарезку, подобно нарезке в оружейных стволах. Высота и шаг этой нарезки были расчитаны таким образом, что за счет влияния некоторых оптических явлений, луч на выходе из отверстия также был закручен по спирали. Этот луч был направлен в область микровпадины, зажатой меж двух отражателей на поверхности полупроводникового материала, арсенида галлия, нанесенного на алюминиевую подложку.

"Раньше получаемые нами вихревые образования из поляритонов появлялись беспорядочно. Отдельные частицы постоянно пытались двигаться в созданном "водовороте" в противоположных направлениях" - рассказывает доктор Роберт Дол (Dr. Robert Dall), который проводил экспериментальную часть проекта, - "Однако, благодаря использованию спиральной маски, структурирующей свет лазера определенным образом, нам удалось создать систему, все частицы которой предпочитают одно направление движения. И эти частицы образуют единый, устойчивый вихрь, направление и скорость которого мы можем регулировать по нашему желанию".

Созданные учеными "водовороты" поляритонов являются одним из образцов поведения квантовой жидкости, в которой все частицы объединяются в так называемый конденсат Бозе-Эйнштейна. "Эти вихри являются ничем иным, как "окнами" в недоступный нам квантовый мир. Их можно использовать для создания высокочувствительных датчиков магнитных полей, элементов сверхпроводящих квантовых интерференционных устройств (SQUIDS, Superconducting QUantum Interference Devices) и для многого, многого другого" - рассказывает доктор Елена Островская, возглавлявшая научную группу, - "Помимо всего прочего эти эффекты можно использовать для передачи квантовой информации в будущих системах квантовых вычислений и квантовых коммуникаций".

"Поляритоника, область, в которой изучаются и используются свойства поляритонов, является одной из самых быстро развивающихся областей науки на сегодняшний день" - рассказывает доктор Островская, - "Понимая все перспективы, которые сулит человечеству использование поляритонов, мы собираемся организовать целую сеть лабораторий с множеством работающих в них научных групп, исследования которых наверняка принесут достаточно весомые результаты".