Исследователи кафедры теоретической ядерной физики НИЯУ МИФИ теоретически изучили необычное поведение света в микроскопическом кольце из экситонных поляритонов — так называемого «жидкого света», гибридных частиц, возникающих при сильном взаимодействии света и вещества в полупроводниковых микрорезонаторах. Главный результат работы состоит в том, что 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. Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (грант № 24-22-00426) и опубликована в журнале Physical Review B.
Экситонные поляритоны — это квазичастицы, которые рождаются в микрорезонаторе, где фотон многократно переизлучается при взаимодействии с экситоном, то есть связанной парой электрон — дырка в полупроводнике. Будучи бозонами, поляритоны способны образовывать бозе-конденсат при значительно 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.
Объект исследования — тонкое кольцо с внутренним радиусом 10 мкм и внешним 12 мкм, разделённое 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 четырёхмодовую модель, учитывающую не только туннелирование между половинами кольца, то есть внешний эффект Джозефсона, но и переходы между компонентами псевдоспина, то есть внутренний эффект Джозефсона. Именно их взаимное влияние и порождает новые режимы.
Обычно степень круговой поляризации жидкости совершает гармонические колебания. Однако вблизи критического значения, зависящего от плотности частиц и силы спин-орбитальной связи, колебания становятся ангармоническими, а затем поляризация самолокализуется: она перестаёт осциллировать и застывает на определённом уровне. Самое интересное происходит при тонкой настройке начальных условий: в узкой области параметров степень круговой поляризации одной из половин кольца может скачком сменить знак на противоположный, тогда как другая половина продолжает осциллировать или остаётся самолокализованной. Авторы называют это режимом переключения поляризации и подчёркивают, 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, задаёт геометрия: ширина кольца и положение барьеров.
Поляритонные конденсаты — принципиально неравновесные, диссипативные системы, и это накладывает ограничения: для наблюдения эффекта нужны достаточно долгоживущие поляритоны. В экспериментах последнего десятилетия время их жизни достигает порядка сотни пикосекунд, чего достаточно для макроскопического течения на сотни микрон. Тем не менее авторы показывают, что простейший учёт затухания как мнимой добавки к энергии не уничтожает богатство режимов: распад лишь постепенно переводит систему из нелинейной динамики в линейную.
Практическая ценность работы состоит 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, то есть 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 и динамически сменяют 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.