Скачкообразное переключение поляризации «жидкого света» в микроскопическом кольце дает физикам готовый рецепт оптического переключателя: поляризацию можно менять на противоположную по всему кольцу или только на одной половине, причем исключительно лазером, без электрических контактов. Такой элемент пригодится в фотонных вычислительных системах и квантовой информатике.
Как сообщает НИЯУ МИФИ, исследователи кафедры теоретической ядерной физики изучили поведение света в кольце из экситонных поляритонов. Это гибридные частицы, которые возникают при сильном взаимодействии света и вещества в полупроводниковых микрорезонаторах. Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда и опубликована в журнале Physical Review B.
Что такое поляритоны
Экситонные поляритоны — квазичастицы, которые рождаются в микрорезонаторе, где фотон многократно переизлучается, взаимодействуя с экситоном. Будучи бозонами, поляритоны способны образовывать бозе-конденсат при более высоких температурах, чем ультрахолодные атомные газы. У них есть псевдоспин, унаследованный от поляризации фотона и спина экситона. Кроме того, у поляритонов есть встроенное спин-орбитальное взаимодействие: оно возникает из-за расщепления мод электромагнитного поля в резонаторе и сильнее всего проявляется в кольцевых структурах.
Кольцо с двумя барьерами
Объект исследования — тонкое кольцо с внутренним радиусом 10 мкм и внешним 12 мкм. Два потенциальных барьера делят его на две половины. Такая геометрия реализует аналог джозефсоновского контакта: частицы туннелируют между ямами, а их число и фаза испытывают характерные осцилляции. Авторы работы Валерия Маслова и Нина Воронова построили четырехмодовую модель. Она учитывает и туннелирование между половинами кольца, и переходы между компонентами псевдоспина.
В чем открытие
Обычно степень круговой поляризации жидкости совершает гармонические колебания. Вблизи критического значения, которое зависит от плотности частиц и силы спин-орбитальной связи, колебания становятся ангармоническими. Затем поляризация самолокализуется: перестает осциллировать и застывает на определенном уровне.
Самое интересное происходит при тонкой настройке начальных условий. В узкой области параметров поляризация одной из половин кольца может скачком сменить знак на противоположный. Другая половина при этом продолжает осциллировать или остается самолокализованной. Авторы называют это режимом переключения поляризации и подчеркивают, что ранее он не наблюдался ни в атомных, ни в поляритонных джозефсоновских контактах.
Как управлять переключением
Переключение достигается исключительно оптическими средствами. Меняя положение лазерного пятна возбуждения относительно центра кольца, можно задавать начальный дисбаланс частиц между половинами. Поляризацией накачки задается начальная степень круговой поляризации. Силу спин-орбитальной связи определяет геометрия: ширина кольца и положение барьеров.
Ограничения и практика
Поляритонные конденсаты — неравновесные, диссипативные системы. Для наблюдения эффекта нужны достаточно долгоживущие поляритоны. В экспериментах последнего десятилетия время жизни достигает порядка сотни пикосекунд, чего достаточно для макроскопического течения на сотни микрон. Авторы показывают, что простейший учет затухания не уничтожает богатство режимов: распад лишь постепенно переводит систему из нелинейной динамики в линейную.
Практическая ценность работы в том, что кольцевые поляритонные конфигурации оказываются удобной платформой для полностью оптически управляемых спиновых переключателей. Такие устройства могут найти применение в фотонных вычислительных системах и элементах квантовой информатики, где нужна быстрая манипуляция поляризацией света без электрических контактов.
Геометрия кольца обеспечивает масштабируемость: меняя ширину кольца или сдвигая барьеры, можно настраивать силу синтетического магнитного поля и программировать нужный режим переключения. Работа также предсказывает нетривиальные пространственные картины поляризации, когда половины кольца находятся в разных конфигурациях и динамически сменяют друг друга без выхода на стационарное состояние.
О чем физики говорили раньше
О перспективах поляритонной физики Нина Воронова рассказывала в интервью «Голос науки» в июле 2024 года. Тогда она объяснила, как из экситонов и фотонов в резонаторе рождается квазичастица, наполовину свет, наполовину вещество. По ее словам, кольцевые структуры интересны тем, что позволяют реализовывать эффекты, которых не бывает в плоских системах, а уравнения там похожи на уравнения для сверхпроводников. Именно поэтому у физиков есть надежда повторить на поляритонных кольцах то, что делают на сверхпроводниковых кубитах.
Коротко: главное
-
Что исследовали физики МИФИ? — Кольцо из экситонных поляритонов, «жидкий свет».
-
В чем главный результат? — Поляризация может скачком меняться на противоположную.
-
Как управляют переключением? — Положением лазерного пятна и поляризацией накачки.
-
Где это пригодится? — В фотонных вычислительных системах и квантовой информатике.
-
Где опубликована работа? — В журнале Physical Review B.
Резюме
-
Исследователи НИЯУ МИФИ изучили кольцо из экситонных поляритонов с двумя потенциальными барьерами.
-
В узком диапазоне параметров поляризация одной половины кольца скачком меняется на противоположную.
-
Переключение достигается только оптическими средствами, без электрических контактов.
-
Кольцевые поляритонные конфигурации могут стать платформой для оптических спиновых переключателей.
-
Работа опубликована в Physical Review B при поддержке Российского научного фонда.
Материал подготовлен изданием «Техносуверен» (technosuveren.ru). Дата публикации: 13 ноября 2026 года.
