Физики ИТМО разработали улучшенную модель, точно описывающую процесс охлаждения и рассеивания избыточной энергии в специфическом типе квантовой среды — поляритонном конденсате. Они дополнили базовое уравнение новым членом, учитывающим энергетическое перераспределение внутри системы без изменения числа частиц, говорится на сайте Десятилетия науки и технологий в России.
Поляритоны представляют собой особые квазичастицы, образующиеся в результате сильного взаимодействия фотонов и экситонов в условиях резонанса в микроскопических оптических устройствах. Их двойственная природа позволяет сочетать свойства как электромагнитного излучения, так и материальной частицы: они характеризуются малой массой и способны демонстрировать разнообразные нелинейные явления.
При высоких концентрациях и интенсивном взаимодействии света с веществом образуется поляритонный конденсат — своеобразная разновидность квантовой жидкости. Когда температура понижается, система охлаждается, теряя свою энергию: возбужденные поляритоны вступают во взаимодействие с соседними частицами и переходят на более низколежащие энергетические уровни. Этот процесс именуется релаксацией энергии поляритонов и является ключевым аспектом изучения механизмов контроля над состоянием и эволюцией квантовых световых жидкостей. Ранее существующие модели, описывающие этот процесс, отличались большой сложностью, что препятствовало их применению для анализа динамики поляритонных конденсатов.
Отечественные ученые разработали новую теоретическую методику на основе принципов квантовой гидродинамики, позволяющую учитывать явление энергетической релаксации в пределах метода среднего поля. Предложенная ими модель демонстрирует постепенную потерю системой энергии, сохраняя при этом количество частиц неизменным. Это стало возможным благодаря введению дополнительного члена в классическое уравнение Гросса-Питаевского, отражающего исключительно процессы снижения энергии без уменьшения количества поляритонов. Таким образом, впервые удалось математически смоделировать процесс «охлаждения» квантовой жидкости без ее «испарения».
Чтобы подтвердить эффективность своего подхода, физики выполнили ряд вычислений и компьютерных симуляций. Ученые детально проанализировали распространение волн в квантовой среде и сохранение ею сверхтекучих свойств — способности перемещаться без сопротивления. Экспериментальные расчеты продемонстрировали, что процесс чистой релаксации энергии не разрушает сверхтекучее состояние, но оказывает влияние на систему, вызывая ослабление возбуждений вне основного конденсата.
Новый метод применим для интерпретации результатов экспериментальных исследований с использованием оптических микрорезонаторов. Его внедрение обеспечит более точное описание и контроль сверхтекучих потоков света и вещества, открывая перспективы для проектирования передовых квантово-оптических технологий: новых источников когерентного света, квантовых симуляторов, компонентов оптических компьютеров и экономичных фотонных интегральных схем.
Ранее физики впервые заставили экзотические квантовые материалы генерировать свет в ранее недоступном терагерцовом диапазоне. Подробнее об этом рассказали в другом материале Hi-Tech Mail.
