实验室中的量子涡旋形成

在液氦和超冷稀气体的经典实验中可以产生量子化涡旋，以对不同的超流体进行基础和比较研究。在《科学进展》杂志上发表的一份新报告中，伊万·格努索夫(Ivan Gnusov)和英国，俄罗斯和冰岛的光子学和物理学研究小组开发了一种“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-极化子玻色-爱因斯坦凝聚物。该团队使用两个频率稳定的单模激光器的跳动音符，并生成了不对称的时间周期旋转非共振激发曲线。然后，他们研究了旋转频率的依赖性，以揭示有利于量子化涡旋形成的一系列搅拌频率。研究结果有助于研究极化子超流动性，以了解光学器件对结构非线性光的作用。

“旋转桶”实验

光学涡度中的轨道角动量(OAM)对于编码和处理光学信息至关重要;这种现象导致了微激光设备的发展。光学涡旋与在相互作用流体中看到的传统涡旋明显不同。例如，自然界中大量存在常规涡旋，从木星气带内的巨大涡旋风暴到宏观量子系统中的微小微米级量子涡旋，如超导体、超流体和玻色-爱因斯坦凝聚物。虽然光学涡旋起源于几何，但超流体和玻色-爱因斯坦凝聚态中的涡旋被认为是拓扑缺陷。

尽管极化学领域取得了重大进展，但研究人员尚未了解搅拌极化子冷凝物或液氦或稀释量子气体的“旋转桶”实验中的涡旋形成。为了产生这种现象，物理学家使用了外部电场或磁场。在这项工作中，Gnusov及其同事通过使用圆柱形不对称光学器件在半导体微腔内存在的极化子冷凝物或玻色子准粒子中塑造了旋转桶实验。然后，他们通过敲打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激发模式，形成复合光束。

旋转铲斗实验中的泵送配置和数值模拟

在实验过程中，该团队将极化子冷凝物光学注入包含布拉格反射器的无机微腔中，量子阱嵌入腔内光场内。然后，他们将样品保存在4 K的冷手指低温恒温器中。此后，该团队将两个空间调制激光器叠加在非偏振分束器上，形成旋转哑铃形激发图案，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极化子之间的排斥相互作用，形成了一个静态哑铃形的热激子储层，以部分包含激发曲线内的极化子。他们通过使用广义的2D Gross-Pitaevskii方程通过数值建模定量地再现了结果。收益和损失之间的竞争导致了与激子储层共同旋转的量子涡旋。除了能够再现旋转极化子流体中量子涡旋的形成外，具有调节电荷的结构光源在经典和量子通信中提供了应用。

频率依赖性量子涡旋形成

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14μm的激发图案的旋转频率，研究小组观察到1至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“单次”实现的真实空间相位分布。然后，他们开发了一种涡旋排序算法，以区分实验过程中的量子涡旋状态。该团队再次整合了数值模拟，以定量确认实验观测和量子涡旋作为旋转频率的函数。

展望

通过这种方式，Ivan Gnusov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基础和比较研究。该团队通过基于极化子的玻色-爱因斯坦凝聚态的旋转桶实验，在实验室中实现了量子涡旋态的形成。极化子位移的基本物理特性要求搅拌频率在千兆赫兹范围内。

由于现有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。实验演示提供了光学涡旋的来源，使经典和量子计算中的应用具有检查量子流体传输的潜力。