在液氦和超冷稀氣體的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)中可以產(chǎn)生量子化渦旋，以對(duì)不同的超流體進(jìn)行基礎(chǔ)和比較研究。在《科學(xué)進(jìn)展》雜志上發(fā)表的一份新報(bào)告中，伊萬(wàn)·格努索夫(Ivan Gnusov)和英國(guó)，俄羅斯和冰島的光子學(xué)和物理學(xué)研究小組開(kāi)發(fā)了一種“旋轉(zhuǎn)桶”實(shí)驗(yàn)，以光學(xué)方式包含光的量子流體。

實(shí)驗(yàn)依賴于半導(dǎo)體微腔內(nèi)的激子-極化子玻色-愛(ài)因斯坦凝聚物。該團(tuán)隊(duì)使用兩個(gè)頻率穩(wěn)定的單模激光器的跳動(dòng)音符，并生成了不對(duì)稱的時(shí)間周期旋轉(zhuǎn)非共振激發(fā)曲線。然后，他們研究了旋轉(zhuǎn)頻率的依賴性，以揭示有利于量子化渦旋形成的一系列攪拌頻率。研究結(jié)果有助于研究極化子超流動(dòng)性，以了解光學(xué)器件對(duì)結(jié)構(gòu)非線性光的作用。

“旋轉(zhuǎn)桶”實(shí)驗(yàn)

光學(xué)渦度中的軌道角動(dòng)量(OAM)對(duì)于編碼和處理光學(xué)信息至關(guān)重要;這種現(xiàn)象導(dǎo)致了微激光設(shè)備的發(fā)展。光學(xué)渦旋與在相互作用流體中看到的傳統(tǒng)渦旋明顯不同。例如，自然界中大量存在常規(guī)渦旋，從木星氣帶內(nèi)的巨大渦旋風(fēng)暴到宏觀量子系統(tǒng)中的微小微米級(jí)量子渦旋，如超導(dǎo)體、超流體和玻色-愛(ài)因斯坦凝聚物。雖然光學(xué)渦旋起源于幾何，但超流體和玻色-愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)中的渦旋被認(rèn)為是拓?fù)淙毕荨?/p>

盡管極化學(xué)領(lǐng)域取得了重大進(jìn)展，但研究人員尚未了解攪拌極化子冷凝物或液氦或稀釋量子氣體的“旋轉(zhuǎn)桶”實(shí)驗(yàn)中的渦旋形成。為了產(chǎn)生這種現(xiàn)象，物理學(xué)家使用了外部電場(chǎng)或磁場(chǎng)。在這項(xiàng)工作中，Gnusov及其同事通過(guò)使用圓柱形不對(duì)稱光學(xué)器件在半導(dǎo)體微腔內(nèi)存在的極化子冷凝物或玻色子準(zhǔn)粒子中塑造了旋轉(zhuǎn)桶實(shí)驗(yàn)。然后，他們通過(guò)敲打兩個(gè)軌道角動(dòng)量相反的頻率失諧單模激光器的音符來(lái)形成激發(fā)模式，形成復(fù)合光束。

旋轉(zhuǎn)鏟斗實(shí)驗(yàn)中的泵送配置和數(shù)值模擬

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，該團(tuán)隊(duì)將極化子冷凝物光學(xué)注入包含布拉格反射器的無(wú)機(jī)微腔中，量子阱嵌入腔內(nèi)光場(chǎng)內(nèi)。然后，他們將樣品保存在4 K的冷手指低溫恒溫器中。此后，該團(tuán)隊(duì)將兩個(gè)空間調(diào)制激光器疊加在非偏振分束器上，形成旋轉(zhuǎn)啞鈴形激發(fā)圖案，其中旋轉(zhuǎn)的方向和頻率來(lái)自先前的研究。

對(duì)于兩個(gè)激光器之間的零頻率失諧，研究小組注意到由于激子和極化子之間的排斥相互作用，形成了一個(gè)靜態(tài)啞鈴形的熱激子儲(chǔ)層，以部分包含激發(fā)曲線內(nèi)的極化子。他們通過(guò)使用廣義的2D Gross-Pitaevskii方程通過(guò)數(shù)值建模定量地再現(xiàn)了結(jié)果。收益和損失之間的競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)致了與激子儲(chǔ)層共同旋轉(zhuǎn)的量子渦旋。除了能夠再現(xiàn)旋轉(zhuǎn)極化子流體中量子渦旋的形成外，具有調(diào)節(jié)電荷的結(jié)構(gòu)光源在經(jīng)典和量子通信中提供了應(yīng)用。

頻率依賴性量子渦旋形成

Gnusov及其同事主要對(duì)旋轉(zhuǎn)桶實(shí)驗(yàn)的動(dòng)力學(xué)感興趣，相對(duì)于它在量子渦旋形成過(guò)程中對(duì)相應(yīng)頻率的依賴性。通過(guò)調(diào)整直徑為14μm的激發(fā)圖案的旋轉(zhuǎn)頻率，研究小組觀察到1至4 GHz之間的量子渦旋形成。

科學(xué)家們記錄了每個(gè)頻率的接口，并提取了100個(gè)“單次”實(shí)現(xiàn)的真實(shí)空間相位分布。然后，他們開(kāi)發(fā)了一種渦旋排序算法，以區(qū)分實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的量子渦旋狀態(tài)。該團(tuán)隊(duì)再次整合了數(shù)值模擬，以定量確認(rèn)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)和量子渦旋作為旋轉(zhuǎn)頻率的函數(shù)。

展望

通過(guò)這種方式，Ivan Gnusov及其同事研究了超冷量子氣體和液氦中的量子渦旋形成，以了解超流體的迷人基礎(chǔ)和比較研究。該團(tuán)隊(duì)通過(guò)基于極化子的玻色-愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)的旋轉(zhuǎn)桶實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)室中實(shí)現(xiàn)了量子渦旋態(tài)的形成。極化子位移的基本物理特性要求攪拌頻率在千兆赫茲范圍內(nèi)。

由于現(xiàn)有快速創(chuàng)建擴(kuò)展極化子網(wǎng)絡(luò)的能力，該方法將使研究人員能夠設(shè)計(jì)渦旋陣列，并研究大規(guī)模驅(qū)動(dòng)耗散量子流體中偏振、軌道角動(dòng)量和線性動(dòng)量自由度的復(fù)雜相互作用。實(shí)驗(yàn)演示提供了光學(xué)渦旋的來(lái)源，使經(jīng)典和量子計(jì)算中的應(yīng)用具有檢查量子流體傳輸?shù)臐摿Α?/p>