Эксперименты, которые проводились в лаборатории оптики полупроводников ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН, продемонстрировали образование конденсата Бозе-Эйнштейна из экситонных поляритонов и показали, что такой конденсат, образованный в полупроводниковых микроцилиндрах, может стать источником излучения с необычными характеристиками.

Конденсат Бозе-Эйнштейна — особое состояние вещества, которое могут образовывать некоторые элементарные частицы (бозоны) при очень низких температурах. В таком состоянии множество отдельных частиц вдруг начинают вести себя как одна. Говоря более точно, они начинают описываться одной волновой функцией и находятся в одном и том же энергетическом состоянии.

Впервые бозе-конденсат удалось наблюдать в середине 1990-х годов для атомов рубидия и натрия (за эти работы в 2001 году была присуждена Нобелевская премия), в 2010 году его удалось получить для фотонов. Но в такое состояние могут переходить и квазичастицы в твердых телах. Этот термин обозначает элементарное возбуждение кристалла или жидкости обладающее многими свойствами настоящих частиц, но не способное покинуть среду, в которой родилось. Как и «настоящие», квазичастицы могут обладать свойствами бозонов и, следовательно, могут переходить в состояние конденсата Бозе-Эйнштейна.

Экспериментаторы — сотрудники Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе и Санкт-Петербургского государственного университета совместно с коллегами из Греции и Франции обратились к квазичастице «экситонный поляритон», которая представляет собой пару «электрон-дырка» в полупроводнике в «окружении» фотонов. Для экспериментов была выбрана не совсем обычная геометрия среды — частицы возбуждались в микроскопических (десятки микрон в диаметре) цилиндрах, вытравленных из предварительно выращенной многослойной полупроводниковой структуры. Каждый цилиндр представлял собой вертикальный оптический резонатор и одновременно ловушку для носителей заряда (электронов и дырок), так что движение образованных ими композитных квазичастиц — экситонных поляритонов — было ограничено по всем трем направлениям. Температура, при которой проводился эксперимент — около 5 градусов Кельвина. Для сравнения, в экспериментах середины 1990-х годов атомы охлаждали до нанокельвинов, но, согласно теории, экситонные поляритоны, обладающие в миллиард раз меньшей массой, могут конденсироваться при гораздо более высоких температурах.

Чтобы создать электронно-дырочные пары в структуре, в торец микроцилиндра направляют луч лазера. А обнаружить сформировавшиеся поляритоны можно по спектрам выходящего из структуры света и его пространственному и угловому распределению, приобретающему причудливые формы. Если сфокусировать луч лазера в центр торца микроцилиндра, то возбужденные поляритоны начинают излучать в форме концентрических колец. Число колец зависит от размера цилиндра, при диаметре 40 микрон оно достигало пяти.

Особенности возбужденного излучения и позволили исследователям утверждать, что они имеют дело с конденсатом Бозе-Эйнштейна. Прежде всего, начиная с определенной мощности лазера, наблюдался резкий рост интенсивности излучения, выходящего из микроцилиндра. Кроме этого, резко уменьшился разброс в его энергии и сузилась его диаграмма направленности. Если вначале цилиндр светил, как лампочка, во все стороны, то, начиная с определенного момента, каждое кольцо испускало параллельный пучок лучей в форме тонкостенной трубы. Наконец, излучение оказалось когерентным. Все вместе говорит о том, что излучающие частицы находятся в одном квантовом состоянии.

В экспериментах обнаружился и другой интересный эффект. Если луч лазера накачки сместить из центра торца микроцилиндра, то картинка выходящего излучения тоже изменится: концентрические кольца превратятся в наборы ярких лепестков. Чтобы описать такое изменение симметрии поляритонного конденсата, была развита теория бозе-газа, которая учитывает специфическую геометрию резонатора. Квазичастицы в нем ограничены стенками цилиндра, а также «отталкиваются» одновременно друг от друга и от пятна возбуждения.

«Наиболее интересно, на мой взгляд, в этих результатах то, что нам впервые удалось осуществить управляемое переключение между режимами бозе-конденсации экситонных поляритонов в квантовые состояния с различными значениями орбитального момента — говорит Владимир Калевич, ведущий научный сотрудник лаборатории оптики полупроводников. — В результате оказалось возможным дискретным образом менять угловое распределение излучения поляритонного конденсата, что может найти применение в оптической обработке информации».

Структура из системы концентрических колец...

Структура из системы концентрических колец слева — когерентное излучение бозе-эйнштейновского конденсата, образованного в вертикальном микрорезонаторе из арсенида галлия при возбуждении в центр микроцилиндра. Если луч лазера накачки смещается из центра цилиндра, то кольца трансформируются в совокупность ярких лепестков, сформированную квантовыми состояниями с ненулевым угловым моментом

Результаты исследований коллектива авторов ФТИ им. А.Ф. Иоффе (В.К. Калевич, М.М. Афанасьев, В.А. Лукошкин, К.В. Кавокин) и их соавторов из СПбГУ и университетов Крита и Клермон-Феррана опубликованы в 4 работах, представлялись в устных и приглашенных докладах на международных и российских конференциях. Цикл работ был удостоен премии за лучшую научную работу ФТИ им. А.Ф. Иоффе 2015 года («Квантование экситон-поляритонного конденсата в микрорезонаторе»).

Квантование экситон-поляритонного конденсата в микрорезонаторе. Аннотация на сайте ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН