Génération contrôlée de vortex dans un superfluide de lumière

Les polaritons que nous étudions sont des particules composites formées d’une partie lumineuse (le photon) et d’une partie matérielle (l’exciton). Lorsque ces polaritons sont accumulés en grande quantité, ils interagissent fortement les uns avec les autres grâce à leur composante de matière. Nous avons la possibilité d’observer leur comportement en récupérant leur composante lumineuse et en l’analysant avec les outils de l’optique.

Une propriété importante des ces ensembles de polaritons en interaction est la formation d’un fluide aux propriétés remarquables qui viennent de sa nature quantique. Une de ces propriétés les plus intrigantes est la superfluidité, qui se manifeste par l’absence de frottement du fluide lorsqu’il s’écoule.

Les observations que nous venons de publier, en collaboration avec des collègues des Universités de Sheffield et Southampton ont été obtenues en utilisant des superfluides de polaritons. Le principe est simple : nous formons quatre fluides de polaritons contra propageant dans une géométrie carrée (comme montré sur la figure ci-contre).

Ensuite, en faisant varier l’angle d’écoulement des fluides, nous forçons le fluide résultant de la rencontre entre les quatre fluides à se mettre à tourner. Le résultat est la formation d’un petit tourbillon au centre du carré.

Que se passe-t-il si l’on fait tourner ce fluide de plus en plus rapidement? Pour trouver la réponse il suffit d’augmenter les angles d’écoulement du fluide. Ce qu’on s’attend à observer en imaginant de l’eau en rotation, c’est un tourbillon (ou vortex) dont la taille augmente. En réalité, dans le cas d’un superfluide, on voit l’apparition d’abord de deux, puis trois puis quatre vortex avec la même taille et ainsi de suite. On les appelle vortex quantifiés. Ce phénomène est dû à la nature quantique du superfluide de polaritons.

Nous avons ainsi montré que nous pouvons générer de façon contrôlée des vortex quantifiés. De plus en utilisant une approche classique nous avons calculé le moment angulaire injecté dans le superfluide en fonction de l’angle des pompes et nous avons montré que la partie entière de cette quantité classique correspond au moment angulaire transporté par les vortex observés dans le superfluide.

Pour en savoir plus :

T. Boulier, E. Cancellieri, N. Sangouard, Q. Glorieux, A. V. Kavokin, D. Whittaker, E. Giacobino and A. Bramati, Phys. Rev. Lett. 116, 116402 (2016) Title : Injection of Orbital Angular Momentum and Storage of Quantized Vortex in Polariton Superfluids

http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.116.116402

Contacts:

Alberto Bramati, bramati-at-lkb.upmc.fr