Работа ученых закладывает фундамент для создания усовершенствованных моделей поведения квантовых веществ, которые имеют огромное значение для разработки ключевых компонентов перспективных оптических компьютеров, высокопроизводительных фотонных микропроцессоров и передовых квантово-оптических устройств нового поколения.
Физики ИТМО создали улучшенную модель, которая точно описывает процесс охлаждения и рассеивания избыточной энергии в специфическом типе квантовой среды — поляритонном конденсате. Они добавили новый элемент в базовое уравнение, учитывающий перераспределение энергии внутри системы без изменения числа частиц.
Поляритоны являются особенными квазичастицами, которые возникают в результате интенсивного взаимодействия фотонов и экситонов при резонансе в микроскопических оптических устройствах. Их двойственная природа позволяет объединять свойства как электромагнитного излучения, так и материальной частицы: они имеют малую массу и способны проявлять различные нелинейные явления.
При высокой концентрации и значительном взаимодействии света с веществом образуется поляритонный конденсат — своеобразная форма квантовой жидкости. Когда температура снижается, система охлаждается, теряя энергию: возбужденные поляритоны взаимодействуют с соседними частицами и переходят на более низкие энергетические уровни. Этот процесс называется релаксацией энергии поляритонов и является важным аспектом изучения механизмов управления состоянием и эволюцией квантовых световых жидкостей. Ранее существующие модели, описывающие этот процесс, отличались высокой сложностью, что мешало их применению для анализа динамики поляритонных конденсатов.
Отечественные исследователи создали новую теоретическую методику, основанную на принципах квантовой гидродинамики, которая позволяет учитывать явление энергетической релаксации в рамках метода среднего поля. Разработанная модель показывает постепенное снижение энергии системой, сохраняя при этом неизменное количество частиц. Это стало возможным благодаря введению дополнительного элемента в классическое уравнение Гросса-Питаевского, отражающего процессы снижения энергии без уменьшения числа поляритонов. Таким образом, впервые удается математически смоделировать процесс «охлаждения» квантовой жидкости без ее «испарения».
Для подтверждения эффективности своего подхода физики провели ряд вычислений и компьютерных симуляций. Ученые детально исследовали распространение волн в квантовой среде и сохранение ею сверхтекучих свойств — способности перемещаться без сопротивления. Экспериментальные расчеты показали, что процесс чистой релаксации энергии не разрушает сверхтекучее состояние, но влияет на систему, вызывая ослабление возбуждений вне основного конденсата.
Новый метод может быть применен для интерпретации результатов экспериментальных исследований с использованием оптических микрорезонаторов. Его внедрение обеспечит более точное описание и контроль сверхтекучих потоков света и вещества, открывая новые возможности для разработки передовых квантово-оптических технологий: новых источников когерентного света, квантовых симуляторов, компонентов оптических компьютеров и экономичных фотонных интегральных схем.
Фото: hi-tech.mail.ru