Самоиндукция в поляритонном конденсате продлила биения его когерентности

Физики из Англии, Исландии и России сообщили об обнаружении необычной спиновой динамики экситон-поляритонного конденсата, накачиваемого достаточно длинным лазерным импульсом. Они показали, что при определенных экспериментальных условиях когерентность в конденсате испытывает биения, длительность которых много больше времени жизни отдельных квазичастиц. Моделирование показало, что за такое поведение ответственна самоиндуцированная ларморовская прецессия псевдоспина. Исследование опубликовано в Physical Review Letters.

Большая часть квантовых технологий, в том числе и квантовые вычисления, опираются на способность квантовых систем находиться в состоянии суперпозиции. В первую очередь такими свойствами обладают атомы и молекулы — мельчайшие объекты, доступные для манипуляций. На роль кубитов подходят и более крупные структуры, например, квантовые точки и сверхпроводящие контуры, которые, однако, лишь служат средами для демонстрации суперпозиционных свойств считанным числом электронов.

Но оказалось, что по квантовым законам могут существовать по-настоящему макроскопические объекты — конденсаты Бозе — Эйнштейна. Они представляют собой большое количество каких-либо частиц-бозонов, объединенных одним макроскопическим состоянием. Как правило, для создания бозе-конденсата атомов нужны очень низкие температуры. Вместе с тем конденсаты на основе экситон-поляритонов существуют и при комнатных условиях, что существенно облегчает работу с ними.

Экситон-поляритоном называют гибридное состояние света и возбуждения атомов или кристаллической решетки (подробнее о том, что это за частицы и как они формируют бозе-конденсат, читайте в материале «Квантовые кентавры»). Его получают с помощью накачки среды лазером. При определенных условиях эти квазичастицы конденсируются в двух возможных состояниях, соответствующих верхней и нижней поляритонным ветвям, реализуя, таким образом, макроскопическую двухуровневую систему. Для описания ее динамики физики вводят понятие псевдоспина. В отличие от атомов или молекул, которые всегда находятся в каком-то состоянии, компоненты псевдоспина экситон-поляритоного конденсата могут стремиться к нулю, что соответствует распаду макроскопического состояния и потере когерентности.

Именно такие процессы исследовала группа физиков из Англии, Исландии и России под руководством Алексиса Аскитопулоса (Alexis Askitopoulos) из Сколковского института науки и технологий. Они заметили, что при определенных условиях когерентность поляритонного конденсата, подвергаемого оптической нерезонансной накачке, убывает немонотонно, демонстрируя биения, причем длительность этих биений существенно превышает время жизни самих квазичастиц. Авторы объяснили увиденное с помощью самоиндуцированной ларморовской прецессии псевдоспина.

В своем исследовании ученые использовали полупроводниковый микрорезонатор с внедренной в него квантовой ямой. Нерезонансное лазерное излучение длительностью 20 микросекунд с круговой поляризацией возбуждало в образце экситон-поляритоны, которые образовывали разбалансированный по спину конденсат. Чтобы конденсат не терял когерентность из-за взаимодействия с резервуаром несконденсировавшихся частиц, физики изолировали его с помощью оптической ловушки.

Авторы проводили над конденсатом интерферометрические измерения с временной задержкой, следя за поведением характерных интерференционных полос. Физиков интересовала зависимость от времени задержки фазового контраста на разных концах конденсата и корреляционной функции первого порядка, между волновыми функциями (а, точнее, спинорами) конденсата между двумя произвольными точками. Последняя несла информацию о степени когерентности конденсата.

Оказалось, что начиная с некоторого порога плотности сконденсированных поляритонов, которую ученые контролировали с помощью параметров лазера, корреляции в конденсате испытывали до восьми периодов биений общей длительностью около одной наносекунды при том, что типичное время жизни квазичастиц составляет около пяти пикосекунд. Чтобы объяснить наблюдаемое поведение, авторы численно решали систему обобщенных уравнений Гросса — Питаевского, описывающую подпитывающую связь резервуара с обоими состояниями конденсата. Оказалось, что осциллятивное поведение когерентности хорошо описывается механизмом самоиндуцированного магнитного поля, направленного вне плоскости квантовой ямы, которое заставляет псевдоспин конденсата прецессировать вокруг себя.

Примечательно, что такая прецессия естественным образом возникает вследствие нарушения симметрии по четности, вызванного спиновой разбалансировкой. При этом конечное состояние конденсата (а именно траектория на сфере Блоха) в сценарии с биениями не зависит от начальной точки, хотя чувствительно к интенсивности и поляризации лазера. Авторы предполагают, что обнаруженная ими необычная спиновая динамика может быть полезна в магнитометрии и создании спин-сжатых состояний поляритонного конденсата.

Недавно мы рассказывали, как китайские физики добились субпикосекундного переключения экситон-поляритоного бозе-конденсата при комнатной температуре.

Марат Хамадеев