实验室中的量子旋涡形成

旋转水桶实验中的泵浦配置与偏振子。上部描述了两个频率失调，f1-f2≠0，空间调制的单模激光器的光激发路径。底部说明了两个激光器的空间强度曲线（红色），这两个激光器通过两个仅有相位的空间光调制器（SLMs）被单独塑造，形成相反光角动量l1,2的环状强度曲线。复合激发光束作为一个旋转的哑铃状的偏振子陷阱，既注入又搅动形成的偏振子凝聚物，类似于超冷原子的光学铁轮。灰度图像是应用在SLM上的相应的 "完美 "涡旋相位掩码。资料来源：《科学进展》（2023）。DOI: 10.1126/sciadv.add1299

量化旋涡可以在液氦和超冷稀薄气体的经典实验中产生，以进行不同超流体的基础和比较研究。在《科学进展》上发表的一份新报告中，伊万-格努索夫和英国、俄罗斯和冰岛的一个光子学和物理学研究小组开发了一个 "旋转桶 "实验，以光学方式包含光的量子流体。

实验依赖于半导体微腔内的激子-偏振子玻色-爱因斯坦凝聚物。研究小组利用两个频率稳定的单模激光器的跳动音符，产生了一个不对称的时间周期性旋转非共振激发曲线。然后他们研究了旋转频率的依赖性，揭示了有利于量化涡旋形成的搅拌频率范围。这些成果可以促进对偏振子超流的研究，以了解光学对结构化非线性光的作用。

旋转的水桶实验

光学涡流中的轨道角动量（OAM）对于编码和处理光学信息至关重要；该现象导致了微激光设备的发展。光学涡流与在相互作用的流体中看到的传统涡流有明显的不同。例如，传统的涡流在自然界中大量存在，从木星气体带中的巨大涡流风暴到宏观量子系统中微小的微米级量子涡流，如超导体、超流体和玻色-爱因斯坦凝聚物。光学旋涡的起源是几何学的，而超流体和玻色-爱因斯坦凝集体中的旋涡则被认为是拓扑学缺陷。

尽管在极光子学领域取得了重大进展，但研究人员还没有理解在搅拌的极光子凝结物中的涡流形成，或用液氦或稀释的量子气体进行的 "旋转桶 "实验。为了产生这种现象，物理学家使用了外部电场或磁场。在这项工作中，格努索夫及其同事通过使用一个圆柱形的不对称光学装置，在半导体微腔内存在的偏振子凝聚物或玻色准粒子中塑造了旋转桶实验。然后他们通过跳动两个轨道角动量相反的频率失谐单模激光器的音符来形成一个复合光束，从而形成了一个激发模式。

旋转桶实验中的量化涡流形成。(A) 在非共振、逆时针旋转的激励光束下[Δf = 4.6 GHz, (l1, l2) = (1, - 1)]，偏振子凝聚物的实空间归一化光致发光强度。虚线对应的是有效光阱的圆周。(B) 被捕获的凝结物的角度解析归一化光致发光强度（对数尺度的假色）。白色的虚线描述了下层偏振子的色散分支。(C) 凝聚物的发射与谐振、平面波、参考激光的干涉模式，揭示了凝聚物波函数中心的叉状位错（见放大的感兴趣区域）。(D）凝结物波函数的相位分布显示了一个逆时针缠绕的相位奇点，证实了一个量化涡旋的形成（假灰度）。资料来源：《科学进展》（2023）。DOI: 10.1126/sciadv.add1299

旋转桶实验中的抽水配置和数值建模

在实验过程中，研究小组用光学方法将偏振子凝聚物注入一个无机微腔，该微腔含有布拉格反射器，腔内光场中嵌入了量子井。此后，研究小组将两个空间调制的激光器叠加在一个非偏振分光器上，形成一个旋转的哑铃形激励模式，其中旋转的方向和频率来自先前的研究。

对于两个激光器之间的零频率失谐，研究小组注意到，由于激子和偏振子之间的排斥性相互作用，形成了一个静态哑铃形的热激子库，将偏振子部分包含在激发图谱中。他们通过使用广义的二维Gross-Pitaevskii方程，通过数字模型定量地再现了结果。增益和损失之间的竞争导致了一个与激子库共同旋转的量子涡旋。除了能够重现旋转极子流体中量子旋涡的形成外，具有调节电荷的结构化光源还提供了经典和量子通信的应用。

量子涡旋电荷的决定性控制。凝结物波函数的实空间相位分布显示了涡旋相位随激发光束的缠绕而产生的反作用。(A和D)逆时针和(B和C)顺时针缠绕的相位跟随激发束。相位的缠绕是通过控制OAM l1,2和激光器频率差Δf来决定的。在（A）和（C）中，Δf=4.6GHz，而在（B）和（D）中，Δf=-3.7GHz。每个面板的底部插图（红色/蓝色实心点）显示了各自相位奇点的线图周围几乎恒定的角相位梯度。资料来源：《科学进展》（2023）。DOI: 10.1126/sciadv.add1299

频率依赖性的量子涡旋形成

Gnusov及其同事主要对旋转桶实验的动力学感兴趣，相对于它在量子涡旋形成过程中对相应频率的依赖性。通过调整直径为14微米的激励模式的旋转频率，该团队观察到了1到4GHz之间的量子涡旋形成。

科学家们记录了每个频率的界面，并提取了100个 "单次拍摄 "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，以区分实验期间的量子涡旋状态。然而，该团队再次整合了数值模拟，以定量确认实验观察和量子涡旋作为旋转频率的函数。

量子涡旋状态形成的旋转频率依赖性。l1=1和l2=-1的量子涡旋的实现直方图。蓝色标记显示在每个旋转频率f'下，量子涡旋发生的百分比乘以所产生状态的光角动量的乘积。红色标记显示了使用二维广义Gross-Pitaevskii理论得到的封闭量子涡旋状态的平均角动量。插图描述了0-、5-和10-GHz旋转频率的激子库密度分布的快照。资料来源：《科学进展》（2023）。DOI: 10.1126/sciadv.add1299

展望

通过这种方式，伊万-格努索夫及其同事研究了超冷量子气体和液氦中的量子涡旋形成，以了解超流体的迷人的基础和比较研究。该团队通过基于玻色-爱因斯坦凝聚物的旋转桶实验，在实验室里实现了量子涡旋态的形成。偏振子移动的基本物理学需要千兆赫兹范围内的搅拌频率。

由于现有的快速创建扩展的偏振子网络的能力，这种方法将使研究人员能够设计旋涡阵列，研究大规模驱动-耗散量子流体中偏振、轨道角动量和线性动量自由度的复杂相互作用。实验证明提供了一个光学涡旋的来源，使经典和量子计算中的应用具有考察量子流体传输的潜力。

更多信息：Ivan Gnusov等人，"旋转桶 "实验中的量子涡旋形成与偏振子凝聚物，《科学进展》（2023）。DOI: 10.1126/sciadv.add1299

Johannes D. Plumhof et al, Room-temperature Bos-Einstein condensation of cavity exciton-polaritons in a polymer, 自然材料（2013）。DOI: 10.1038/nmat3825

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