Міжнародна команда фізиків уперше спостерігала надтвердий (supersolid) стан матерії при кімнатній температурі, змусивши гібридні частинки світла й речовини поводитися водночас як кристал і як надплинна рідина. Про це повідомляє ScienceDaily з посиланням на фізичний факультет Варшавського університету.
Що таке надтверде тіло
У звичайних умовах тверді тіла й рідини мають кардинально різні властивості. Кристали характеризуються впорядкованою внутрішньою структурою: частинки розташовані в повторюваних просторових візерунках. Рідини, навпаки, легко течуть і змінюють форму.
Квантова фізика дозволяє матерії поводитися нетривіально. Один із таких ефектів — надплинність, коли рідина втрачає в’язкість і може текти крізь надзвичайно вузькі канали майже без тертя. До певної швидкості рух у ній майже не зустрічає опору, а після порогу виникають квантові вихори.
У 1960-х фізики припустили, що надплинна речовина може одночасно набути й кристалічного порядку — утворити періодичну, «гратчасту» структуру. Такий гібридний стан назвали надтвердим: у ньому матеріал має просторову організацію твердого тіла, але зберігає безтертєву течію надплинної рідини.
Десятк років надтверді тіла залишалися теоретичним передбаченням. Лише у 2017 році їх експериментально зафіксували в ультрахолодних бозе-ейнштейнівських конденсатах атомів. Однак для цього потрібні були складні кріогенні установки, що охолоджують речовину майже до абсолютного нуля.
Світло плюс речовина замість ультрахолодних атомів
Консорціум TopoLight, до якого увійшли фізики з Варшавського університету, Військової технічної академії (Польща), IBM Research Zurich і французького CNRS, пішов іншим шляхом. Замість надохолоджених атомів вони використали незвичні квазічастинки — екситон-поляритони.
Екситон-поляритони виникають, коли світло дуже сильно взаємодіє з речовиною всередині оптичного мікрорезонатора (мікрокавітації) і фотони «зв’язуються» з електронними збудженнями. Такі квазічастинки поєднують властивості світла й матерії й можуть утворювати бозе-ейнштейнівський конденсат із надплинною поведінкою.
Живуть екситон-поляритони надзвичайно недовго — лише кілька пікосекунд (трильйонних часток секунди), але за цей короткий час встигають самоорганізуватися в колективний квантовий стан.
Щоб створити потрібні умови, дослідники побудували оптичну мікрокавітацію з рідким кристалом усередині, поверх якої нанесли шар органічного напівпровідника. У такій структурі світло й речовина взаємодіють настільки сильно, що виникають потрібні квантові ефекти без екстремального охолодження.
За словами професора Віктора Піцека з Військової технічної академії, рідкокристалічні мікрокавітації працюють навіть за температур близько 60°C (приблизно 140°F) — це значно вище за умови традиційних експериментів з екзотичною квантовою матерією.
Світлові «грати» та спонтанний вибір стану
Про перехід системи в надтвердий стан фізики судили за випромінюванням зразка. Коли екситон-поляритонний конденсат переходив у надтверду фазу, на детекторах з’являлися регулярно розташовані яскраві смуги. Це свідчило, що густина частинок почала періодично змінюватися — характерна ознака кристалічної структури.
Водночас дослідники помітили ще один ефект: щоразу, коли лазерний імпульс збуджував зразок, яскраві смуги з’являлися в іншому місці. Система не «застигала» в одному варіанті, а щоразу обирала одну з кількох рівноймовірних конфігурацій.
Таке явище називається спонтанним порушенням симетрії: система, яка теоретично може існувати в декількох еквівалентних станах, на практиці «обирає» конкретний. У цьому експерименті це проявлялося як зміна розташування світлових візерунків у кожному запуску.
Конденсат також продемонстрував ще одну незвичну впорядкованість — так звану стійку спіраль спіну (persistent spin helix). Вона проявлялася у періодичній зміні поляризації випроміненого світла, тобто орієнтації електричного поля хвилі.
Отже, одночасно виникли два різні типи порядку: в інтенсивності світла (розподіл яскравості) й у його поляризації. Разом вони підтверджують існування надтвердої фази в цій системі.
Складний експеримент з обмеженим часом
Реалізація експерименту вимагала подолати й практичні труднощі. Органічний напівпровідник у пристрої поступово реагував із рідким кристалом, тому кожен зразок мав дуже обмежений «термін придатності». У вчених було лише кілька годин після складання, щоб провести всі вимірювання.
Це змушувало детально планувати кожну серію: вирішувати наперед, які саме параметри досліджувати й у якій послідовності. Повторення вимірювань означало виготовлення нового зразка з нуля.
Ключові вимірювання виконали в IBM Research Zurich, де на спеціалізовані фотонні структури, виготовлені у Військовій технічній академії, наносили тонкі шари органічного напівпровідника. Сам матеріал — органічний полімер MeLPPP (methyl-substituted ladder-type poly(paraphenylene)) — добре відомий дослідникам, які вже раніше спостерігали в ньому бозе-ейнштейнівську конденсацію.
Поєднання цього напівпровідника з рідкокристалічною мікрокавітацією вперше дозволило зафіксувати надтвердий стан на основі екситон-поляритонів при кімнатній температурі.
Чим важливий кімнатний квантовий стан
Більшість відомих досі екзотичних квантових станів вимагають дорогих кріогенних систем і температур, близьких до абсолютного нуля. Це ускладнює дослідження й сильно обмежує можливість перетворити такі ефекти на реальні технології.
Новий результат показує, що частину цих квантових явищ можна досліджувати в фотонних пристроях, які працюють при звичайних температурах. Це відкриває шлях до майбутніх технологій, де світло використовуватиметься для обробки інформації.
Серед потенційних напрямів — надшвидкі фотонні компоненти, спеціалізовані обчислювальні прискорювачі, натхненні роботою мозку (нейроморфні обчислення), а також надчутливі оптичні сенсори. Надзвичайна чутливість надтвердого стану до поляризації світла може стати основою для приладів, здатних фіксувати вкрай слабкі оптичні зміни.
Поки що ці прикладні сценарії залишаються перспективами майбутніх досліджень, але сам факт отримання відповідних квантових ефектів без екстремального охолодження робить їх значно реалістичнішими.
Електричне керування квантовою матерією
Однією з найцікавіших особливостей створеної системи є електрична керованість. Рідкокристалічні мікрокавітації забезпечили першу електрично настроювану платформу для вивчення надтвердих екситон-поляритонних конденсатів.
Змінюючи напругу, дослідники можуть тонко регулювати оптичні властивості пристрою та умови формування квантових станів. Попередні підходи подібного рівня контролю не надавали.
Такий динамічний контроль дає фізикам більше можливостей вивчати, як саме зароджуються, взаємодіють і змінюються квантові фази матерії. У перспективі це важливо й для проєктування практичних квантових фотонних пристроїв, де точне керування світлом і його взаємодією з матеріалом є критичним.
Поєднання роботи при кімнатній температурі з електричною настроюваністю робить нову платформу потужним інструментом для дослідження квантових явищ, які ще нещодавно вимагали набагато складніших експериментальних умов.