Wiry optyczne, jakich jeszcze nie było. Przełom, na który czekaliśmy?

Wiry optyczne o ładunkach zmieniających się co 1/5 nanosekundy to zjawisko, którego nie obserwowano nigdy wcześniej. Mogą przydać się w mikroskopii optycznej i kryptografii kwantowej.
Zaobserwowano rekordowe wiry optyczne
Zaobserwowano rekordowe wiry optyczne

Naukowcy z Uniwersytetu Islandzkiego, Uniwersytetu w Southampton i Skolkovo Institute of Science and Technology (Skoltech) zademonstrowali powstawanie dziwnego zjawiska kwantowego — skupiska wirów optycznych z okresowymi zmianami ładunków. Szczegóły opisano w czasopiśmie Physical Review Letters.

Czym są wiry optyczne?

Wiry optyczne to strumienie światła skręconego jak spirala wokół swojej osi propagacji. Wiry mają tzw. ładunek topologiczny, który można rozumieć jako liczbę oznaczającą, jak szybko się kręci i w jakim kierunku.

Naukowcy wywołali cztery takie wiry jako klaster i wykryli, że ich ładunki zmieniały się w regularny sposób z okresem 1/5 ns. Nigdy wcześniej nie obserwowano tak szybkiej oscylacji ładunków.

Czytaj też: Fizyka kwantowa – siedem faktów, które warto znać

Z wirami optycznymi wiąże się ogromne nadzieje, bo oferują one możliwość przezwyciężania ograniczenia przepustowości światłowodów. Mogą one przydać się także do budowy pęset optycznych — specjalnie przygotowanych wiązek laserowych służących do manipulowania obiektami w skali mikroskopowej, m.in. atomami, nanocząstkami, a nawet komórkami.

Rekordowe wiry optyczne wytworzono w Laboratorium Fotoniki Hybrydowej Skoltechu, kierowanym przez prof. Pavlosa Lagoudakisa. Naukowcy wykorzystali półprzewodnikową strukturę mikrokawitacyjną — dwa silnie refleksyjne lustra ze studniami kwantowymi umieszczonymi pomiędzy. Pozwala to na tworzenie kwazicząstek zwanych polarytonami.

Haczyk polegał na tym, że musieliśmy się upewnić, że ładunek każdego wiru był na początku losowy i będzie ewoluował swobodnie zgodnie z regułami dynamiki kwantowej kondensatu. Oznacza to, że system spontanicznie samoorganizowałby swoje wiry, co sugeruje emergentne zachowanie. Nie mogliśmy więc po prostu odcisnąć siatki wirów w naszym układzie za pomocą lasera, ponieważ stworzyłoby to wiry o znanych ładunkach i usunęło wszelką spontaniczność.Kirill Sitnik, doktorant Skoltechu, główny autor pracy
Wzbudziliśmy polarytony za pomocą wiązki lasera o kształcie pierścienia. Przy krytycznej mocy wzbudzenia, niektóre z polarytonów zlokalizowały się wewnątrz optycznie wywołanej pułapki efektywnej, zajmując superpozycję makroskopowych stanów skwantowanych z samoukładającymi się wirami oscylującymi w sposób okresowy.Prof. Pavlos Lagoudakis