Silikon mikro boşluklardaki kuasipartikül dinamikleri üzerine yapılan araştırmalar, kuantum ışık akışkanlarının hareketine dair daha önce duyulmamış bilgiler sağlıyor.
Süperakışkanlık ya da bir akışkanın dirençsiz hareket etme kapasitesi, sadece hidrodinamik olarak karakterize edilen sistemlerin bir özelliği değildir.
Doğrusal olmayan bir ortamda hareket eden ışığın kuantum hidrodinamiği özellikleri gösterebileceğinin keşfi, optik araştırmacılarının süper akışkanlara ve diğer kuantum akışkanlarına olan ilgisini on yıldan daha uzun bir süre önce ateşledi.
Fotonların yarı iletken mikro boşluklarda hapsedildiği ve fotonların bir yığın malzeme boyunca hareket ettiği yayılan geometriler, bu “ışık sıvılarını” incelemek için iki platform olarak ortaya çıkmıştır.
Her iki düzenleme de fotonların etkin bir kütle kazanmalarına ve birbirleriyle etkin bir şekilde etkileşime girmelerine izin verir, bu da bir bütün olarak kuantum akışkanı gibi davranmalarına neden olabilir. Özellikle kuantum akışkan davranışını karakterize eden kolektif uyarımların araştırılmasındaki zorluklar, bu olağandışı durumları tam olarak kavrama yeteneğimizi sınırlamaktadır. Fransa’daki Sorbonne Üniversitesi Kastler-Brossel Laboratuvarı’ndan (LKB) Ferdinand Claude ve meslektaşları tarafından polaritonlardan oluşan bir kuantum sıvısı – yarı iletken bir mikro boşlukta fotonların ve eksitonların güçlü bir şekilde bağlanmasıyla üretilen kuasipartiküller – şimdi benzeri görülmemiş bir ayrıntıyla karakterize edildi. Geliştirdikleri strateji, bazıları yerçekimi-analog modelleri olarak kullanılabilecek yeni kuantum-akışkan rejimlerini araştırmak için potansiyel göstermektedir.
Yarı iletkenlerdeki mikro boşluklar foton-hidrodinamik etkileri incelemek için mükemmel bir platform sağlar.
Böyle bir boşluk, frekansı boşluk rezonansıyla eşleşen elektromanyetik dalgalarla aydınlatıldığında, dalga vektörünün boşluk düzlemine dik bileşeni kuantize olur. Bu dalga vektörü bileşeni ile foton frekansı arasındaki ilişki sonuç olarak ikinci dereceden bir bağımlılık gösterir ve bu da fotonlara etkin bir kütle verir. Lazer aydınlatması aynı zamanda eksiton olarak bilinen bağlı delik-elektron durumlarını da indükler. Fotonların ve eksitonların özelliklerini birleştiren bir tür kuasipartikül olan polaritonlar, boşluktaki fotonlar ve eksitonlar arasındaki eşleşmenin bir sonucu olarak yaratılır. Bu polaritonlar eksiton-eksiton eşleşmesi yoluyla etkileşime girer ve kütleleri eksiton ve fotonun etkin kütleleri tarafından belirlenir.
Böylece, toplu olarak büyük, etkileşen parçacıkların bir akışı veya bir kuantum akışkanı olarak hareket edebilirler. Polaritonik sistemlerin son on yılda Bose-Einstein yoğunlaşması ve süper akışkanlık da dahil olmak üzere kuantum akışkan özellikleri sergilediği gösterilmiştir.
Bu niteliksel tanımın ötesinde, iki boyutlu kuantum akışkanlar ve boşluklu polaritonlar, her iki sistemin de zaman içinde nasıl geliştiğini yöneten Gross-Pitaevskii denklemi olarak bilinen matematiksel bir çerçeveyi paylaşır. Kolektif uyarımların varlığı, yani akışkan durgun haldeyken yüzeyine yayılan küçük yoğunluk bozuklukları, kuantum akışkan aktivitesinin tanımlayıcı bir özelliğidir.
Bu yayılımı karakterize etmek için Bogoliubov’unkine benzer bir dağılım ilişkisi kullanılır; büyük uzunluk ölçeklerinde ses benzeri bir bölgeye (doğrusal bir enerji-momentum bağlantısı) ve küçük uzunluk ölçeklerinde serbest parçacık bölgesine (parabolik bir ilişki) sahiptir. Claude ve meslektaşlarının birincil amacı, Bogoliubov dalgaları olarak da adlandırılan bu kolektif uyarımları ölçmektir.
Lazer fotoeksitasyonuyla üretilen ve sonlu bir ömre sahip olan polaritonlar denge dışı parçacıklar olduğundan, kavite-polariton sistemleri Bogoliubov teorisinin açılımlarını gerektirir. Bu ayrım, deneysel verilerin toplanması ve kullanılmasında zorluklar ortaya çıkarmaktadır.
Polaritonları uyarmak için bir “pompa” lazer kullanan araştırmacılar, polaritonların bozunmasından kaynaklanan fotolüminesansı gözlemleyerek Bogoliubov uyarımlarını ölçebilir. Daha önceki araştırmalarda pompa lazer frekansı çok daha yüksekti, bu da pompa fotonlarını fotolüminesans fotonlarından ayırmayı kolaylaştırıyordu. Bununla birlikte, bazıları kuantum sıvısının bir bileşeni olmayan çeşitli polaritonlar, rezonant olmayan uyarma ile üretilir. Gözlemlenen spektrumlar, özellikle süper akışkanlık belirtilerinin beklendiği alanlarda, bunların varlığı nedeniyle bozulur. Alternatif bir strateji, boşluğu aydınlatmak için rezonansa yakın veya rezonans üzerinde bir pompa kullanmaktır. Ancak, bu yöntemin enerji çözünürlüğü Bogoliubov dağılım eğrisinin birçok ince detayını görmeyi zorlaştırır.
Grup daha önce araştırmacıların bu kısıtlamaların ötesine geçmesini sağlayan yeni bir koherent prob spektroskopisi tabanlı yöntem oluşturdu. Yöntemde, Bogoliubov uyarımlarını araştıran ayarlanabilir bir lazer alanı pompa darbesinden sonra geliyor. Sistem, prob lazerin sinyali akışkanın arka plan emisyonundan ayırma kapasitesi sayesinde polaritonik akışkan özelliklerine kayda değer uzaysal ve spektral hassasiyetle erişebiliyor.
Claude ve meslektaşları, bir dizi çalışma ile polaritonik sıvının kolektif uyarımlarının dağılımının kapsamlı bir karakterizasyonunu sağladı. Kavitenin yansıtıcılığı, çeşitli prob ışını eğimlerinde belirli bir pompa enerjisi için belirlenmiştir (Şekil:1).
Prob kolektif polariton uyarımları ile rezonansa girdiğinde, yansıtma her açıda bir düşüş gösterdi. Bu, araştırmacıların Bogoliubov uyarımlarını çeşitli dalga vektörleriyle karakterize etmelerine ve daha sonra dağılım ilişkisini yeniden yapılandırmalarına olanak sağladı. Ayrıca, deneysel bulgularını bu tür şekilleri hesaba katan teorilere uydurmak için ışınların Gauss şeklinden yararlandılar ve bu da polaritonik sıvıdaki ses hızını belirlemelerine olanak sağladı.
Bir süper akışkandaki Bogoliubov dağılım ilişkisinin iki dalı vardır: normal dağılıma sahip normal bir dal ve negatif dağılıma sahip hayalet bir dal. İkinci dalın adı, onu uyarmanın ve daha sonra gözlemlemenin ne kadar zor olduğundan gelmektedir. LKB araştırmacıları bu deneysel zorluğu çoktan çözmüş ve pompa-prob düzeneğinin olağanüstü hassasiyeti sayesinde kavitelerinin yansıtma ölçümlerinde bu hayalet dalın izlerini keşfetmişlerdir. Yeni yaklaşım, her iki dalın karakterizasyonunu, özellikle de dağılım eğrilerinin küçük dalga sayılarına karşılık gelenler gibi daha önce yetersiz ilgi gören alanları için önemli ölçüde geliştiriyor.
Ekip ayrıca farklı akışkan kararsızlıklarının başlangıcını karakterize edebildi ve akışkan yoğunluğunun ve diğer özelliklerin ses hızını nasıl etkilediğine dair yeni ayrıntıları fark etti.
Bu çalışma, kuantum akışkanlar çerçevesine bir dereceye kadar deneysel kontrol ekleyerek, polaritonik akışkanların daha kapsamlı nicel araştırmalarına kapı açıyor. Bu düzenleme, kuantum akışkan davranışındaki normdan çok küçük farklılıkları inceleyerek kuantum hidrodinamiği hakkında şimdiye kadar ulaşılamayan içgörüler sağlayacaktır. Ayrıca, yerçekiminin optik analogları olarak polaritonik sistemleri kullanarak astrofizik, kozmoloji ve kuantum yerçekimi ile ilgili araştırılması zor fenomenleri yeniden yaratmayı mümkün kılabilir.
Kaynak: physics.aps.org/articles/v16/74
