《ScienceAdvances》“旋转桶”实验中偏振子凝聚体量子涡旋形成

来自英国、俄罗斯和冰岛的光子学和物理学研究团队开发了一种“旋转桶”实验，在液氦和超冷稀释量子气体的实验中可以产生量子涡旋，对不同超流体进行基础和比较的研究，以光学方式控制光的量子流体，相关研究发表在《Science Advances》上。

实验依赖于半导体微腔内的激子-极化子玻色-爱因斯坦凝聚。该团队使用了两个频率稳定的单模激光器，生成了一个不对称的时间周期旋转非共振轮廓。然后，他们研究了旋转频率的依赖性，以揭示有利于量子化漩涡形成的搅拌频率范围。研究结果有助于研究偏振子超流性，从而理解光学在结构非线性光中的作用。

图1：旋桶极化激元泵送实验结构图。上半部分描述了两个频率失谐、f1−f2≠0的空间调制单模激光器的光激发路径。底部部分说明了两个激光的空间强度分布(红色)，它们分别被两个仅相位空间光调制器(SLMs)塑形，形成相反的光角动量l1,2的环形强度分布。复合激发束充当一个旋转的哑铃形极化子阱，既注入又搅动形成的极化子凝聚体，类似于超冷原子的光学摩天轮。所得到的灰度图像是应用于SLMs上的“完美”涡旋相位掩模。

“旋转桶”实验

光涡中的轨道角动量(OAM)对光学信息的编码和处理至关重要;这催发了微激光器件的发展。光学涡旋明显不同于在相互作用的流体中看到的传统涡旋。例如，传统的涡旋在自然界中大量存在，从木星气体带中的巨大涡旋风暴到宏观量子系统(如超导体、超流体和玻色-爱因斯坦凝聚体)中的微小微米级量子涡旋。虽然光学涡旋的起源是几何的，但超流体和玻色-爱因斯坦凝聚体中的涡旋被认为是拓扑缺陷。

尽管在极化电子学领域取得了重大进展，但研究人员还没有理解在搅拌极化子凝聚体或用液氦或稀释量子气体进行的“旋转桶”实验中涡旋的形成。为了产生这种现象，物理学家使用了外部电场或磁场。在这项研究中，研究人员通过使用圆柱不对称光学器件，在半导体微腔内存在的极化子凝聚体或玻色子准粒子中形成了旋转桶实验。

图2：旋转桶实验中量子化涡旋的形成。(A)非共振逆时针旋转激发束下极化子凝聚体的实空间归一化光致发光强度[Δf = 4.6 GHz， (l1, l2) =(1，−1)]。虚线对应有效光阱的周长。(B)捕获凝聚体的角度分辨归一化光致发光强度(对数尺度假色)。白色虚线曲线描述了较低的极化子色散分支。(C)凝聚体发射与共振平面波参考激光的干涉图，揭示了凝聚体波函数中心的叉状位错(见感兴趣的放大区域)。(D)凝聚体波函数的相位分布显示逆时针缠绕相位奇异性，确认了量子化涡旋的形成(假灰度)。

“旋转桶”泵送结构实验及数值模拟

在实验过程中，研究人员将偏振子凝聚体注入到一个无机微腔中，该微腔中含有布拉格反射器，在腔内光场中嵌入量子阱。然后他们将样本放在4 K的低温恒温器中。随后，研究人员将两个空间调制激光器叠加在一个非偏振分束器上，形成一个旋转的哑铃形激发模式，其中旋转的方向和频率来自之前的研究。

对于两个激光器之间的零频率失谐，研究小组注意到，由于激子和极化激子之间的排斥相互作用，在激发轮廓中形成了一个静态哑铃形热激子库，部分包含极化激子。他们利用广义二维Gross-Pitaevskii方程通过数值模拟定量再现了结果。增益和损失之间的竞争导致了与激子库共旋的量子涡旋。带调节电荷的结构光源除了能够再现旋转极化子流体中量子涡旋的形成外，还在经典通信和量子通信中提供了应用。

图3：量子涡旋电荷的确定性控制。凝聚波函数的实空间相位分布，展示了涡旋相位缠绕与激励束的共激。(A和D) A逆时针和(B和C)相位顺时针绕激励束。相位的绕线是通过控制OAM l1,2和激光频差Δf来确定的。在(A)和(C)中，Δf = 4.6 GHz，在(B)和(D)中，Δf =−3.7 GHz。每个面板的底部插图(红色/蓝色实点)显示了几乎恒定的角相位梯度围绕各自相位奇点的线轮廓。

频率相关的量子涡旋形成

研究人员主要对旋转桶实验的动力学感兴趣，因为旋转桶实验在量子涡旋形成过程中对相应频率的依赖。通过调整直径为14 μm的激发模式的旋转频率，研究小组观察到1到4 GHz之间的量子涡旋形成。

科学家们记录了每个频率的接口，并提取了100个“单发”实现的实空间相位分布。然后，他们开发了一种涡旋排序算法来区分实验中的量子涡旋状态。该团队再次整合了数值模拟，以定量地确认实验观测和量子涡作为旋转频率的函数。

图4：量子涡旋态形成的旋转频率依赖性。l1 = 1和l2 =−1的量子涡实现的直方图。蓝色标记表示在每个旋转频率f'下，量子涡旋发生的实现百分比乘以结果态的光学角动量的乘积。红色标记表示使用二维广义Gross-Pitaevskii理论获得的受限量子涡旋态的平均角动量。插图描述了0-、5-和10-GHz旋转频率下激子储层密度分布的快照。

前景

研究人员研究了超冷量子气体和液氦中的量子涡旋形成，以了解超流体的基础和比较研究。研究组在实验室中通过基于极化激元玻色-爱因斯坦凝聚体的旋转桶实验，实现了量子涡旋态的形成。极化子漂移的基本物理原理需要在千兆赫范围内的搅拌频率。

由于现有的快速创建扩展极化子网络的能力，该方法将使研究人员能够设计涡旋阵列，并研究大尺度驱动耗散量子流体中极化、轨道角动量和线性动量自由度的复杂相互作用。实验演示提供了光涡的来源，使经典计算和量子计算中的应用具有检查量子流体输运的潜力。

文章来源：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.add1299

https://phys.org/news/2023-01-quantum-vortex-formation-lab.html