Физики получили поляритоны из волн материи

Американские физики изучили поведение поляритонов на основе волн материи. Они создавали такие квазичастицы, смешивая два уровня холодных атомов в оптической решетке, один из которых соответствовал запертому атому, а другой — свободному. Ученые увидели фазовый переход поляритонного конденсата из состояния моттовского изолятора в сверхтекучее состояние. Исследование опубликовано в Nature Physics.

Распространение квантов света в среде часто представляют себе в виде последовательности поглощения, испускания и свободного распространения фотона до следующего атома. В реальности все происходит несколько сложнее. Волновая функция фотона, пролетевшего через атом, представляет собой суперпозицию двух вкладов: один — от не взаимодействовавшего фотона, другой — от поглощенного и переизлученного. 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 (подробнее о поляритонах и экситонах читайте в нашем материале «Зоопарк квазичастиц»). 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.

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.

Марат Хамадеев