[论文解读] Ultrafast topology shaping by a Rabi-oscillating vortex

Lorenzo Dominici, David Colas+8 more|arXiv (Cornell University)|Jan 8, 2018

Strong Light-Matter Interactions被引用 3

一句话总结

本文通过二维极化子凝聚体中的拉比振荡涡旋，实现了超快拓扑形状调控，相干控制与超快成像揭示了组分间角动量转移的亚皮秒动力学。该系统产生沿传播轴螺旋旋转的横向相位奇点管，通过涡旋-反涡旋对的生成与动态子场平衡，表现出角动量守恒。

ABSTRACT

We realize a new kind of ultrafast swirling vortices, characterized by one or more inner phase singularity tubes which spiral around their axis of propagation. This is achieved by creating a quantum vortex in one component of a two-dimensional Rabi-oscillating field of polaritons, made of strongly-coupled excitons and photons. Coherent control and ultrafast imaging allow us to initiate and follow the dynamics of the oscillatory vorticity transfer between two condensates, much alike imaging a sub-picosecond precessing gyroscope. The dynamics in time and space of this highly structured photonic packet exhibits a peculiar phenomenology of conservation of angular momentum, through balance of the different subfields and creation of vortex-antivortex pairs. The rartex, or Rabi spiraling vortex state, represents a novel concept of topology shaping, a universal principle extendible to other platforms of coupled oscillators, from mechanical ones to different size and time ranges of electromagnetics, to be used, e.g., in radar or lidar systems, laser writing and free space communications. Ultrafast rotating vortex lattices represent a natural extension, that could be applied to drive or perturb atomic condensates or for other schemes of optical trapping, while the associated phase singularities can even be made to rotate superluminally in the transverse plane.

研究动机与目标

• 探索利用拉比振荡场对量子涡旋中的拓扑结构实现超快调控。
• 研究双组分极化子凝聚体中角动量转移的动力学行为。
• 实现并成像一种新型光子态——拉比螺旋涡旋，其特征为沿传播方向螺旋运动的相位奇点管。
• 通过动态子场平衡与涡旋-反涡旋对生成，展示角动量守恒。
• 将该概念拓展至更广泛的平台，包括雷达、激光雷达与光阱系统。

提出的方法

• 利用由强耦合激子与光子组成的二维拉比振荡场，生成量子涡旋。
• 对场的一个组分进行相干激发，以在单个凝聚体中引发涡旋。
• 采用超快成像技术，捕捉涡旋演化与角动量转移的亚皮秒级动力学。
• 分析光子脉冲的时空演化，识别相位奇点及其螺旋轨迹。
• 使用双组分场的耦合方程对系统进行建模，描述振荡的涡量转移。
• 观测到涡旋-反涡旋对的生成，作为系统中角动量守恒的机制。

实验结果

研究问题

• RQ1 在光子系统中，两个拉比重耦合凝聚体组分之间的角动量如何在动态中重新分布？
• RQ2 相位奇点管在塑造超快光子脉冲的拓扑结构中起什么作用？
• RQ3 在超快拉比振荡过程中，涡旋-反涡旋对的生成能否维持角动量守恒？
• RQ4 拉比振荡涡旋的时空动力学在亚皮秒时间尺度上如何类似于一个进动的陀螺？
• RQ5 拉比螺旋涡旋态在多大程度上可推广至其他耦合振子平台？

主要发现

• 拉比振荡涡旋态具有独特的拓扑结构，其内部存在围绕传播轴螺旋旋转的相位奇点管。
• 超快成像揭示了涡量转移的亚皮秒级动力学，类似于一个进动的陀螺。
• 通过子场贡献的平衡与涡旋-反涡旋对的生成，实现了角动量守恒。
• 横向平面中的相位奇点可实现超光速旋转，打破了横向方向的传统速度限制。
• 该系统支持超快旋转的涡旋晶格，可用于驱动或扰动原子凝聚体。
• 拉比螺旋涡旋代表了一种普适的拓扑形状调控原理，适用于雷达、激光雷达与自由空间光通信等多种平台。