Международный коллектив учёных из Китая и России предложил изящный двухступенчатый подход к управлению сложными квантовыми режимами в конденсатах экситон-поляритонов. Используя специально настроенное оптическое накачивание, они демонстрируют, как нестабильные асимметричные конфигурации превращаются в устойчивые упорядоченные состояния. Полный текст работы опубликован в журнале Physical Review B (DOI: 10.1103/PhysRevB.112.075153). Проект выполнен при поддержке Национального научного фонда Китая и Санкт-Петербургского государственного университета.
Экситон-поляритоны в полупроводниковых микрорезонаторах представляют собой гибрид фотонов и экситонов, объединяющий малую эффективную массу света с сильным взаимодействием частиц вещества. Они способны образовывать Бозе-Эйнштейновский конденсат при температурах, многократно превышающих те, что требуются для атомных газов, что делает их перспективными для создания квантовых оптических устройств.
Однако такие конденсаты — открытые системы с постоянным балансом усиления и потерь: лазерный насос компенсирует быстро убывающую популяцию поляритонов, что порождает сложный динамический режим. Достижение пространственно-временной (PT) симметрии — ключевой этап для формирования стабильных волновых структур, необходимых для передачи и обработки информации.
Группа из Чжэцзянского педагогического университета, Университета Вестлейк, СПбГУ и МФТИ отказалась от прямого навязывания идеальной симметрии. На первом этапе они сконструировали комплексный потенциал гауссова профиля с симметричными зонами усиления и потерь, равномерно «освещённый» фоновым лазером. Это заставило конденсат самоорганизоваться в новые устойчивые нелинейные структуры — яркие и тёмные солитоны, а также вихри.
Несмотря на их стабильность, эти состояния не обладали идеальной PT-симметрией. Однако исследователи заметили, что для «гауссовских» мод дисбаланс усиления и потерь тоже носит предсказуемый гауссов характер. Это дало им ключ к следующему этапу.
На втором шаге в систему вводится «композитный гауссов насос» — дополнительный лазерный луч с точно настраиваемым профилем интенсивности. Он компенсирует потери в одних областях и уменьшает избыточное усиление в других, достигая почти идеального баланса.
Алексей Кавокин, директор Международного центра теоретической физики им. А. А. Абрикосова МФТИ: «Мы применили принцип активного шумоподавления: измерили внутренний дисбаланс и с помощью второго лазера синфазно его компенсировали. Это восстановило PT-симметрию в квантовом «жидком свете» — экситон-поляритонах».
Компьютерное моделирование полностью подтвердило эффективность данной методики. Введённый параметр «коэффициент равновесия» позволил точно определить момент достижения симметричного режима, а анализ потоков энергии выявил одностороннюю передачу внутри солитонов — характерную черту PT-симметричных систем.
Ключевая особенность этого исследования — работа не с идеально симметричными моделями, а с естественными, но несовершенными состояниями конденсата, которые затем доводятся до баланса генерации и потерь. Такой реалистичный подход открывает путь к практической реализации оптических транзисторов, переключателей и логических элементов, работающих на порядки быстрее электронных аналогов. Представленный «рецепт» полезен как для теоретиков, так и для экспериментаторов, стремящихся создавать и управлять сложными квантовыми объектами в задачах обработки информации и квантового моделирования.
Научная статья: M. Chen, M. Idrees, K. Zhang, H.-j. Li, J. Lin, A. Kavokin. Pump-driven transitions between non- and near-PT-symmetric steady states in polariton condensates, Physical Review B, 112, 075153, опубликовано 27 августа 2025 г., doi.org/10.1103/PhysRevB.112.075153.
