Ученые создали сверхтвердое тело из света: Лазерный свет впервые «затвердел» — что это даст науке?

06.03.2025 21:42

Мир квантовой физики полон парадоксов и явлений, бросающих вызов нашему привычному пониманию реальности. Только представьте: материя, которая одновременно твердая и жидкая, движется без сопротивления, подобно призраку, скользящему сквозь стены. Звучит как научная фантастика, не так ли? Но это — сверхтвердое тело, экзотическое состояние материи, до недавнего времени существовавшее лишь в теоретических моделях и экспериментах с атомами. И вот, свершилось: международная команда ученых совершила прорыв, создав сверхтвердое тело… из света!

Что такое сверхтвердое тело и почему это так интересно?

Прежде чем мы углубимся в детали этого новаторского эксперимента, давайте разберемся, что же такое сверхтвердое тело и почему оно так привлекает внимание ученых. Представьте себе кристалл — твердую структуру с упорядоченным расположением атомов. Теперь представьте, что этот кристалл может течь, как жидкость, не теряя при этом своей структуры. Это и есть сверхтвердое тело.

Иллюстрация

Автор: ИИ Copilot Designer//DALL·E 3 Источник: www.bing.com

Как такое возможно? Ответ кроется в квантовой механике, науке, которая описывает поведение материи на атомном и субатомном уровнях. В сверхтвердых телах квантовые эффекты становятся макроскопическими, то есть видимыми в масштабе, который мы можем наблюдать. Атомы в сверхтвердом теле находятся в состоянии, называемом «конденсатом Бозе-Эйнштейна», когда они ведут себя как единое целое, теряя свою индивидуальность. Именно это позволяет сверхтвердому телу демонстрировать такие удивительные свойства, как отсутствие вязкости (сверхтекучесть) и одновременное существование в твердом и жидком состояниях.

Свет, запертый в гребнях, становится сверхтвердым

До сих пор сверхтвердые тела создавались только с использованием атомов, охлажденных до экстремально низких температур, близких к абсолютному нулю. Это связано с тем, что квантовые эффекты, необходимые для формирования сверхтвердого тела, проявляются только при очень низких температурах, когда тепловое движение атомов минимально.

Система во взаимном и координатном пространстве. a. Механизм, приводящий к образованию сверхтвердого тела. Линейные и нелинейные процессы рассеяния объединяются и приводят к модуляции плотности в координатном пространстве. b. Дисперсия состоит из четырех фундаментальных мод распространения. Измеренная дисперсия близко соответствует численной дисперсии, полученной из диагонализации эффективного гамильтониана 8 x 8 (см. SI). c. Состояние BiC |0⟩ при ???? = 0 параметрически рассеивается на модах +-????????, обозначаемых как |+-1⟩. При мощностях выше порога для измерения населенности |+-1⟩ необходимо маскировать BEC. Параметрическое рассеяние генерирует пары фотонов, которые заполняют|+-1⟩ состояния, как указано стрелками. d. Плотность сверхтвердой волновой функции ????(????, ????) показывает характерную быструю модуляцию из-за спонтанного нарушения трансляционной симметрии. Амплитуда модуляции вдоль линии ???? = 0 составляет ∼2.6% Цитирование: Trypogeorgos, D., Gianfrate, A., Landini, M. et al. arXiv:2407.02373 [cond-mat.mes-hall]

Автор: Trypogeorgos, D., Gianfrate, A., Landini, M. et al Источник: arxiv.org

И вот, исследователи из разных стран предложили новаторский подход: вместо атомов использовать свет. Как им это удалось? Они направили лазерный луч на специально разработанный кристалл арсенида галлия с микроскопическими гребнями на поверхности. Взаимодействие света с материалом привело к образованию так называемых поляритонов — гибридных частиц, представляющих собой смесь света и возбуждений в твердом теле. Эти поляритоны были «заперты» в гребнях кристалла, что вынудило их организоваться в сверхтвердую структуру.

Ученые не просто создали сверхтвердое тело, они создали его из света! Это открывает совершенно новые возможности для изучения этих экзотических состояний материи.

Твердое, жидкое и без вязкости: проверка на прочность

Создать сверхтвердое тело — это только половина дела. Необходимо было доказать, что созданный объект действительно обладает свойствами сверхтвердого тела. Задача не из легких, учитывая, что сверхтвердое тело из света было создано впервые.

Тем не менее, ученым удалось подтвердить, что их творение действительно является одновременно твердым и жидким, а также обладает сверхтекучестью, то есть не имеет вязкости. Это означало, что они успешно создали сверхтвердое тело из света!

Нежесткое рассеяние. a. Энергия и импульс|-1⟩ меняются с мощностью возбуждения. При больших мощностях видна первая возбужденная мода (правая панель). Положение |-1⟩ в волноводной дисперсии определяет интерференционную часть сверхтвердого тела. Поскольку эти моды искривлены из-за сильной связи с экситоном, положение смещается как по энергии b (слева), так и по волновому числу (справа), что приводит к появлению нежесткой решетчатой структуры. Смещение центральных пиков соответствует дисперсионной кривой, показанной на верхних панелях. Вторичный пик, появляющийся при более низкой энергии, является первым возбужденным состоянием, которое входит при ???? = 0 для мощностей накачки > 0,8 мВт (отмечено черной сплошной линией) и рассеивается на модах TE1. c. Энергетическая дисперсия, усредненная по всем мощностям возбуждения, демонстрирующая движение |-1⟩ во вторичном пространстве. Цитирование: Trypogeorgos, D., Gianfrate, A., Landini, M. et al. arXiv:2407.02373 [cond-mat.mes-hall]

Автор: Trypogeorgos, D., Gianfrate, A., Landini, M. et al Источник: arxiv.org

Заглядывая в будущее: новые горизонты квантовой физики

«Позвольте объяснить», — говорят исследователи. Создание сверхтвердого тела из света — это не просто научный курьез, это важный шаг на пути к пониманию фундаментальных законов природы. Сверхтвердые тела, созданные из света, могут оказаться более удобными для работы, чем их атомные аналоги. Это может помочь нам лучше понять структуру и свойства сверхтвердых тел в целом, а также открыть новые возможности для разработки квантовых технологий.

Представьте себе квантовые компьютеры, работающие на основе сверхтекучего света, или сенсоры, способные обнаруживать мельчайшие изменения в гравитационном поле. Возможности, открывающиеся благодаря этому прорыву, поистине захватывающие.

В заключение можно сказать, что создание сверхтвердого тела из света — это революционное достижение, которое может изменить наше представление о материи и открыть новые горизонты в квантовой физике и технологиях. И кто знает, какие еще удивительные открытия ждут нас в этом захватывающем квантовом мире?