Группа теоретиков из Китая и России предложила инновационный метод управления экзотическими квантовыми образованиями — так называемыми «вихревыми молекулами». С помощью численного моделирования они продемонстрировали, как такие стабильные пары или группы квантовых вихрей могут образовываться в экситон-поляритонном конденсате. Результаты опубликованы в журнале Physical Review B (Hu et al., 2025).
В последние десятилетия экситон-поляритоны — гибридные частицы, совмещающие свойства света и вещества — привлекают всё больше внимания. В полупроводниковых микрорезонаторах фотоны и экситоны настолько тесно связаны, что образуют квазичастицу с эффективной массой в сотни тысяч раз меньше массы электрона. Благодаря этому поляритоны могут конденсироваться при значительно более высоких температурах, вплоть до комнатных, образуя неравновесный Бозе-Эйнштейновский конденсат, который непрерывно подпитывается лазерным излучением и одновременно теряет энергию.
Одним из ключевых эффектов в таком конденсате являются квантовые вихри — дискретные вращательные структуры с точным квантовым моментом. Учёные давно стремились связать вихри в стабильные агрегаты, но в стандартных условиях одноимённо вращающиеся вихри отталкиваются, что препятствует образованию «молекул» без приложения внешней силы или создания жёстких ловушек.
Исследователи поставили задачу: обеспечить свободное движение вихрей внутри ограниченной области, где сила притяжения возникала бы естественным образом. Для этого они предложили использовать однородный лазерный пучок с дисковой геометрией и плавным краем области накачки.
Алексей Кавокин, директор Международного центра теоретической физики имени А. А. Абрикосова МФТИ, пояснил:
«Мы создали «игровую площадку» для вихрей, где они не привязаны к конкретным точкам, но при этом удерживаются вместе внутренней притягивающей силой. Плавная граница лазерного диска действует как чашка чая: вихри отражаются от неё и возвращаются в центр, где образуют динамическую молекулу, свободно двигаясь внутри светового кольца».
В численном эксперименте, основанном на обобщённом уравнении Гросса–Питаевского, два вихря помещали в такую световую ловушку и отслеживали их траектории. Вместо разлёта частицы принимали упорядоченный «парный танец»: отталкивание вихрей компенсировалось силой, возникающей у границы накачки, и сформировалась устойчивая вращающаяся структура.
«Хореография» вихрей зависит от радиуса диска накачки. При малых размерах они движутся по почти круговым орбитам. С увеличением радиуса траектории «дышат»: вихри периодически сближаются и расходятся, сохраняя общий вращательный момент. При достижении критического размера появляется спиральный режим, когда к орбитальному движению добавляются мелкие закручивающиеся петли.
Регулируя размер накачки, её интенсивность и коэффициент диффузии экситонов, учёные контролировали среднюю угловую скорость молекулы, включая режимы нулевого вращения и обратного направления.
Расчёты показали, что аналогичный подход применим и к большим группам вихрей. Три, четыре и даже пять вихрей самоорганизуются в симметричные «квантовые шестерёнки», устойчиво вращающиеся как единое целое.
Предложенная схема открывает прямой путь к изучению взаимодействия вихрей в замкнутом объёме без искусственной жёсткой фиксации. Это углубляет наше понимание неравновесной квантовой динамики и даёт инструменты для создания управляемых квантовых объектов.
В дальнейшем планируется исследовать спиновые эффекты в вихревых молекулах и самоорганизацию более сложных вихревых кристаллов. «Танцующие» квантовые вихри могут лечь в основу опто- и квантовых технологий будущего.
Литература: Hu, J., Idrees, M., Zhang, K., Lin, J., Li, H., & Kavokin, A. (2025). Vortex molecules in exciton-polariton condensates formed by uniform nonresonant pumping. Physical Review B, 111(24), 245119. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.111.245119
