研究表明极化子凝聚态可占据两个能级形成量子化涡旋簇

在《应用物理快报》上发表的一篇论文中，一组科学家证明，在光激发下，极化子凝聚体可以同时占据两个相距很近的能级，从而形成量子化的涡旋簇。该研究成果对于光镊、增加光通信线路中数据传输通道的宽度和其他研究领域具有重要意义。

这项新研究基于之前对光学涡旋的研究——光学涡旋是一种相位围绕传播轴呈螺旋状扭曲的光束。2022年，斯科尔科沃理工学院的研究人员与冰岛大学和南安普顿大学的同事首次展示了如何在极化子凝聚体中形成具有周期性翻转电荷的量化涡旋簇。

作者通过实验观察了四个涡旋的簇，并检测到它们的电荷符号以五分之一纳秒的间隔周期性翻转。

“极化子是由光和物质组成的准粒子。它们可以形成宏观相干态——玻色-爱因斯坦凝聚态。粗略地说，这种状态的行为就像一个粒子，可以用一个波函数来描述，”这项研究的第一作者、斯科尔科沃科技学院光子学中心混合光子学实验室的初级研究科学家KirillSitnik说。

“但无机微谐振器中的极化子凝聚不是在室温下实现的，而是在极低温度下实现的。因此，为了观察极化子的凝聚，我们将出现极化子的样品放入低温恒温器中，并将其冷却至4开尔文。”

“2006年，人们证明极化子可以表现出与冷原子相同的物理特性，例如形成量化涡旋。同时，实现凝聚态的实验技术要简单得多。因此，我们正在研究极化子凝聚态的物理特性，”Sitnik继续说道。

“我们发现，当极化子凝聚态受到光激发并被光阱捕获时，它可以同时占据两个间距很近的能级，从而形成具有周期性变化拓扑电荷的量化涡旋簇。”

实验表明，由于采用了椭圆阱而不是最常用的圆形阱，因此产生了两种对应于不同能级的空间状态。拓扑电荷符号的周期性翻转是由这些状态之间的拍动引起的，从而导致涡旋旋转方向的周期性变化。

Skoltech研究团队在实验中改变了光阱的椭圆度，从而控制了极化子凝聚体中量化涡旋的拓扑电荷符号翻转频率。

为了从理论上证实实验结果，作者使用了量子谐振子模型，该模型展示了明确且可预测的频率调谐趋势。该模型还预测了该频率的非线性行为。