Des « torsions quantiques » géantes peuvent se former dans la lumière liquide. Crédit : Université de Cambridge
Nouveau mécanisme trouvé pour générer des vortex géants dans les fluides quantiques de la lumière.
Quiconque a vidé une baignoire ou mélangé de la crème dans du café a vu un vortex, une formation omniprésente qui apparaît lorsque le fluide circule. Mais contrairement à l’eau, les fluides régis par les règles étranges de la mécanique quantique ont une restriction particulière : comme l’avait prédit pour la première fois en 1945 le futur lauréat du prix Nobel Lars Onsager, un vortex dans un fluide quantique ne peut se tordre que par unités de nombre entier.
Ces structures rotatives devraient être largement utiles pour tout étudier, des systèmes quantiques aux trous noirs. Mais alors que le plus petit vortex quantique possible, avec une seule unité de rotation, a été observé dans de nombreux systèmes, les plus gros vortex ne sont pas stables. Alors que les scientifiques ont tenté de forcer de plus gros tourbillons à se maintenir ensemble, les résultats ont été mitigés : lorsque les tourbillons se sont formés, la sévérité des méthodes utilisées a généralement détruit leur utilité.
Maintenant, Samuel Alperin et le professeur Natalia Berloff de l’Université de Cambridge ont découvert un mécanisme théorique par lequel les vortex quantiques géants sont non seulement stables, mais se forment d’eux-mêmes dans des fluides par ailleurs presque uniformes. Les résultats, publiés dans la revue Optique, pourrait ouvrir la voie à des expériences qui pourraient donner un aperçu de la nature des trous noirs en rotation qui présentent des similitudes avec les vortex quantiques géants.
Pour ce faire, les chercheurs ont utilisé un hybride quantique de lumière et de matière, appelé polariton. Ces particules sont formées en projetant une lumière laser sur des matériaux spécialement stratifiés. “Lorsque la lumière est piégée dans les couches, la lumière et la matière deviennent inséparables, et il devient plus pratique de considérer la substance résultante comme quelque chose de distinct de la lumière ou de la matière, tout en héritant des propriétés des deux”, a déclaré Alperin, un doctorant au Département de Mathématiques Appliquées et de Physique Théorique de Cambridge.
L’une des propriétés les plus importantes des polaritons vient du simple fait que la lumière ne peut pas être piégée pour toujours. Un fluide de polaritons, qui nécessite une haute densité de particules exotiques, expulse constamment de la lumière et doit être alimenté par la lumière fraîche du laser pour survivre. « Le résultat », a déclaré Alperin, « est un fluide qui n’est jamais autorisé à se déposer et qui n’a pas besoin d’obéir à des restrictions généralement fondamentales en physique, comme la conservation de l’énergie. Ici, l’énergie peut changer dans le cadre de la dynamique du fluide.
Ce sont précisément ces flux constants de lumière liquide que les chercheurs ont exploités pour permettre à l’insaisissable vortex géant de se former. Au lieu de faire briller le laser sur le fluide polariton lui-même, la nouvelle proposition a la lumière en forme d’anneau, provoquant un flux entrant constant similaire à la façon dont l’eau s’écoule vers un drain de baignoire. Selon la théorie, ce flux est suffisant pour concentrer toute rotation en un seul vortex géant.
« Que le vortex géant puisse réellement exister dans des conditions propices à leur étude et à leur utilisation technique était assez surprenant », a déclaré Alperin, « mais cela montre en réalité à quel point l’hydrodynamique des polaritons est totalement distincte des fluides quantiques plus bien étudiés. . C’est un territoire passionnant.
Les chercheurs disent qu’ils n’en sont qu’au début de leurs travaux sur les vortex quantiques géants. Ils ont pu simuler la collision de plusieurs vortex quantiques alors qu’ils dansaient les uns autour des autres à une vitesse toujours croissante jusqu’à ce qu’ils entrent en collision pour former un seul vortex géant analogue à la collision des trous noirs. Ils ont également expliqué les instabilités qui limitent la taille maximale du vortex tout en explorant la physique complexe du comportement du vortex.
“Ces structures ont des propriétés acoustiques intéressantes : elles ont des résonances acoustiques qui dépendent de leur rotation, elles chantent donc en quelque sorte des informations sur elles-mêmes”, a déclaré Alperin. « Mathématiquement, c’est assez analogue à la façon dont les trous noirs en rotation diffusent des informations sur leurs propres propriétés. »
Les chercheurs espèrent que la similitude pourrait conduire à de nouvelles connaissances sur la théorie de la dynamique des fluides quantiques, mais ils disent également que les polaritons pourraient être un outil utile pour étudier le comportement des trous noirs.
Référence : « Multiply charged vortex states of polariton condensates » par Samuel N. Alperin et Natalia G. Berloff, 1er mars 2021, OPTIQUE.
DOI : 10.1364 / OPTICA.418377
Le professeur Berloff est affilié conjointement à Cambridge et à l’Institut des sciences et technologies de Skolkovo en Russie.
