Свойства «жидкого света» помогут создать оптические переключатели

Исследователи кафедры теоретической ядерной физики НИЯУ МИФИ теоретически изучили необычное поведение света в микроскопическом кольце из экситонных поляритонов («жидкого света») — гибридных частиц, возникающих при сильном взаимодействии света и вещества в полупроводниковых микрорезонаторах. Главный результат: в узком диапазоне параметров кольцевой поляритонный «джозефсоновский переход» способен скачком менять круговую поляризацию жидкости на противоположную — либо по всему кольцу, либо только на одной из его половин. В Работа, подготовленная при поддержке Российского научного фонда (грант № 24-22-00426) опубликована в журнале Physical Review B.

Доцент кафедры теоретической ядерной физики Нина Воронова

Что такое поляритоны и почему они интересны

Экситонные поляритоны — это квазичастицы, рождающиеся в микрорезонаторе, где фотон многократно «переизлучается», взаимодействуя с экситоном (связанной парой электрон—дырка в полупроводнике). Будучи бозонами, поляритоны способны образовывать бозе-конденсат при гораздо более высоких температурах, чем ультрахолодные атомные газы, — и при этом обладают псевдоспином, унаследованным от поляризации фотона и спина экситона. Кроме того, у них есть собственное, «встроенное» спин-орбитальное взаимодействие: оно возникает из-за расщепления TE и TM мод электромагнитного поля в резонаторе и сильнее всего проявляется именно в кольцевых структурах, где дополнительно усиливается радиальным конфайнментом.

Кольцо с двумя «слабыми связями»

Объект исследования — тонкое кольцо (внутренний радиус 10 мкм, внешний 12 мкм), разделенное двумя потенциальными барьерами на две половины. Такая геометрия реализует аналог бозе-эйнштейновского джозефсоновского контакта: частицы туннелируют между потенциальными «ямами», а их число и фаза испытывают характерные осцилляции. Авторы исследования - Валерия Маслова и Нина Воронова построили четырехмодовую модель, учитывающую не только туннелирование между половинами кольца (внешний эффект Джозефсона), но и переходы между компонентами псевдоспина (внутренний эффект Джозефсона). Именно их взаимное влияние и порождает новые режимы.

Главное открытие — переключение поляризации

Обычно степень круговой поляризации (DCP) жидкости совершает гармонические колебания. Однако вблизи критического значения, зависящего от плотности частиц и силы спин-орбитальной связи, колебания становятся ангармоническими, а затем поляризация «самолокализуется» — перестает осциллировать и застывает на определенном уровне. Самое интересное происходит при тонкой настройке начальных условий: в узкой области параметров DCP одной из половин кольца может скачком сменить знак на противоположный, тогда как другая половина продолжает осциллировать или остается самолокализованной. Авторы называют это «режимом переключения поляризации» и подчеркивают, что ранее он не наблюдался ни в атомных, ни в поляритонных джозефсоновских контактах.

Важно, что переключение достигается исключительно оптическими средствами: изменяя положение лазерного пятна возбуждения относительно центра кольца, можно произвольно задавать начальный дисбаланс частиц между половинами, а поляризацией накачки — начальную степень круговой поляризации. Силу спин-орбитальной связи, в свою очередь, задает геометрия: ширина кольца и положение барьеров.

Почему это важно для практики

Поляритонные конденсаты — принципиально неравновесные, диссипативные системы, и это накладывает ограничения: для наблюдения эффекта нужны достаточно долгоживущие поляритоны (в экспериментах последнего десятилетия время жизни достигает порядка сотни пикасекунд, чего достаточно для макроскопического течения на сотни микрон). Тем не менее авторы показывают, что простейший учет затухания (как мнимой добавки к энергии) не уничтожает богатство режимов — распад лишь постепенно переводит систему из нелинейной динамики в линейную.

Практическая ценность работы в том, что кольцевые поляритонные конфигурации оказываются удобной платформой для полностью оптически управляемых спиновых переключателей. Такие устройства могут найти применение в фотонных вычислительных системах и элементах квантовой информатики, где требуется быстрая и точная манипуляция поляризацией (спином) света без электрических контактов. Кроме того, геометрия кольца обеспечивает масштабируемость: меняя ширину кольца или сдвигая барьеры, можно настраивать силу синтетического магнитного поля и тем самым «программировать» нужный режим переключения. Наконец, работа предсказывает возможность наблюдать нетривиальные пространственные картины поляризации — например, ситуации, когда половины кольца находятся в различных (ферромагнитной либо антиферромагнитной) конфигурациях, динамически сменяя друг друга без выхода на стационарное состояние.

Таким образом, исследование не только углубляет понимание спинорной динамики экситонных поляритонов и спин-орбитально связанных джозефсоновских переходов, но и предлагает конкретный рецепт для создания управляемых оптических элементов нового поколения.

Интервью с Ниной Вороновой о перспективах поляритонной физики читайте здесь.