物理学家发现在物质不同状态之间“切换”的方法

一个国际物理学家团队首次尝试通过实验观察物质的两种不同状态之间的过渡：传播的极化子-孤子和玻色-爱因斯坦凝聚物。此外，研究人员开发了一种理论模型来解释这种转变，并找到了一种通过在极化子形成过程中改变激光泵浦功率来在不同状态之间“切换”的方法。结果发表在《物理评论快报》上。

在广泛的物理系统中，尤其是在光子学中，对非线性系统进行了广泛的研究。在这样的系统中，粒子之间的相互作用会导致一系列新颖的效应，例如物质的不同基本状态（包括极化子，孤子和玻色-爱因斯坦凝聚物）之间的非线性跃迁。

“ Polariton是由于物质和光的杂交而形成的准粒子。一旦为它们提供了额外的能量和密度，它们便形成了集体激发，即孤子。孤子具有在空间中传播并保持其形状的能力。换句话说，尽管孤子是由许多粒子组成的集体状态，但其行为却像一个粒子。同时，玻色-爱因斯坦凝聚物是物质的量子态，其中所有粒子（在我们的情况下为极化子）以最小的能量填充系统的基态。通常，基态会扩展到所研究系统的整个区域。孤子和玻色-爱因斯坦凝聚物是两个截然不同的状态，我们设法观察到它们之间的过渡。”圣彼得堡ITMO大学介观系统光过程国际实验室负责人Ivan Shelykh解释说。

来自谢菲尔德大学的Maurice Skolnick教授，Dmitry Krizhanovskii博士和Maksym Sich博士组成的小组获得了实验数据，而由Ivan Shelykh领导的理论小组则开发了用于定量描述实验的理论模型。

“首先我们必须制造极化子，”莫里斯·斯科尼克（Maurice Skolnick）说。“这需要制造具有精确定义特征的初始半导体结构。接下来，我们在低至4开氏温度的温度下在结构上照射激光，产生极化子，然后检测它们发出的光。”

研究人员观察到，激光泵浦功率的增加会触发系统中的非线性效应。

“通过增加激光强度，我们产生了越来越多的粒子，它们开始相互影响。因此，整个系统进入非线性状态。单独的极化子形成孤子，然后转变为玻色-爱因斯坦凝聚物。尽管很明显，我们获得了一些有趣的结果，但是如果没有良好的理论，我们将永远无法理解它们的真正含义。”斯科尔尼克继续说道。

解释实验数据的理论模型是由Ivan Shelykh的小组开发的。该合作研究项目是在俄罗斯联邦教育和科学部的资助下进行的，用于研究混合光态。

“'超级赠款'使我们能够与谢菲尔德的领先实验科学家开展富有成效的合作。在一年的合作工作中，我们发表了两篇将实验科学和理论科学相结合的主要论文。”

进一步的研究计划包括将非线性跃迁系统的尺寸减小到亚波长范围。莫里斯·斯科尼克（Maurice Skolnick）描述了该项目的观点：

“到目前为止，这项研究具有主要的根本意义，因为我们描述了物理学的一个全新的方面。但是，一旦我们生产出微型设备，就有可能在物质的不同状态之间使用非线性跃迁进行电信或（例如）创建新激光器。”

出版物：M. Sich等人，“从传播的极化子孤子到相互作用引起的驻波冷凝物的转变”，《物理评论快报》，2018年； doi：10.1103 / PhysRevLett.120.167402