Учёные продемонстрировали необычную форму квантовой материи, которая сочетает два, казалось бы, несовместимых свойства. Это состояние называют суперсолидом (сверхтвёрдым телом): у него упорядоченная структура кристалла, но при этом оно демонстрирует течение без трения, свойственное особому виду жидкости. Что ещё удивительнее, исследователи наблюдали такое поведение при комнатной температуре, и теперь для изучения подобных явлений не требуется экстремальное охлаждение, к которому прибегали раньше.
Прорыва добилась международная команда из физического факультета Варшавского университета, Военного технологического университета (Польша), исследовательского центра IBM Research в Цюрихе и Национального центра научных исследований Франции (CNRS). Вместо атомов, охлаждённых почти до абсолютного нуля, учёные создали суперсолид из частиц, сочетающих свойства света и вещества.
Результаты, опубликованные в журнале Science Advances, открывают новый способ изучать экзотические квантовые эффекты в гораздо более доступных условиях. Они также могут помочь в развитии будущих технологий: от оптических вычислений до высокочувствительных датчиков.
Как вещество может вести себя и как твёрдое тело, и как жидкость?
В обычных условиях твёрдые тела и жидкости ведут себя очень по-разному. У кристаллов упорядоченное внутреннее строение: их частицы расположены по повторяющимся узорам. Жидкости же могут течь и менять форму.
Однако квантовая физика позволяет веществу вести себя так, как это было бы невозможно по привычным правилам повседневной жизни.
Один из примеров — сверхтекучесть, удивительное явление, при котором жидкость теряет вязкость, то есть внутреннее сопротивление течению. Сверхтекучая жидкость способна протекать через очень узкие каналы без обычного трения. Представьте, что вы опускаете в такую жидкость весло. Вы почти не почувствуете сопротивления, пока весло не достигнет определённой скорости. После этого порога внезапно образуются крошечные вихревые структуры, известные как квантовые вихри.
В 1960-е годы физики предположили ещё более странную возможность. Что, если сверхтекучая жидкость сможет приобрести и повторяющуюся внутреннюю структуру, которая обычно присуща кристаллу?
Эту гипотетическую комбинацию стали называть суперсолидом. В таком состоянии материал обладает пространственной упорядоченностью твёрдого тела, сохраняя при этом замечательные свойства течения сверхтекучей жидкости.
Десятилетиями сверхтвёрдость оставалась теоретической концепцией. Экспериментальное подтверждение наконец появилось в 2017 году, когда исследователи наблюдали это явление в ультрахолодных атомных конденсатах Бозе — Эйнштейна. Такие конденсаты образуются, когда частицы переходят в коллективное квантовое состояние и начинают вести себя как согласованная система, а не как отдельные независимые частицы.
Загвоздка в том, что для создания таких условий, как правило, требовалось сложное оборудование, способное охладить вещество до температур, предельно близких к абсолютному нулю, самой низкой из возможных температур.
Квантовый суперсолид из света вместо холодных атомов
Международный консорциум TopoLight подошёл к задаче с другой стороны. Вместо ультрахолодных атомов исследователи работали с необычными гибридными частицами — экситон-поляритонами.
Эти квазичастицы возникают, когда свет взаимодействует с веществом настолько сильно, что они связываются друг с другом внутри крошечной оптической камеры — микрорезонатора. Получившиеся частицы обладают свойствами и света, и вещества.
Экситон-поляритоны живут очень недолго — как правило, всего несколько пикосекунд. Пикосекунда — это одна триллионная доля секунды. Несмотря на столь краткое существование, эти частицы могут образовывать конденсат Бозе — Эйнштейна и коллективно проявлять поведение квантовой сверхтекучей жидкости.
Чтобы создать нужные условия, команда построила оптический микрорезонатор со специально разработанным жидким кристаллом и покрыла его органическим полупроводником. Такая конструкция позволила свету и веществу взаимодействовать достаточно сильно, чтобы получить желаемые квантовые эффекты без экстремального охлаждения.
«Наши жидкокристаллические микрорезонаторы могут работать даже при температурах около 60 °C», — говорит профессор Виктор Пенцек из Военного технологического университета, чья группа разработала жидкокристаллические структуры.
Это примерно 140 °F — гораздо выше тех температур замерзания, которые обычно связаны с экспериментами по изучению экзотической квантовой материи.
Необычные узоры света выдают суперсолид
Как исследователям определить, перешёл ли набор частиц в такое необычное состояние?
В этом эксперименте свидетельство проявилось в свете, излучаемом образцом. Когда система переходила в фазу суперсолида, исследователи наблюдали ряд регулярно расположенных ярких полос.
Эти узоры показали, что конденсат частиц самопроизвольно приобрёл повторяющуюся модуляцию плотности. Такая пространственная упорядоченность — определяющий признак кристаллических структур и важный признак суперсолидности.
Но исследователи заметили и другой любопытный эффект.
Каждый раз, когда лазерный импульс возбуждал образец, яркие полосы появлялись в другом месте. Вместо одной фиксированной конфигурации квантовая система каждый раз выбирала одну из нескольких равновозможных.
«Это хрестоматийный пример спонтанного нарушения симметрии, — объясняет профессор Гийом Мальпюш из Института Паскаля (CNRS). — Теория предсказывала, что суперсолид может выбирать между несколькими эквивалентными состояниями, и именно это мы и увидели».
Спонтанное нарушение симметрии происходит, когда система, которая могла бы существовать в нескольких эквивалентных конфигурациях, устанавливается в одной определённой. В данном случае эффект стал заметен по смене положения световых узоров.
Конденсат проявил и ещё одну необычную особенность — устойчивую спиновую спираль. Это повторяющееся изменение поляризации излучаемого света. Поляризация описывает ориентацию колеблющегося электрического поля световой волны.
В совокупности эти наблюдения выявили две разные формы порядка, существующие одновременно: одна проявилась в интенсивности излучаемого света, другая — в его поляризации.
Сложный эксперимент: на успех — всего несколько часов
Чтобы получить эти результаты, пришлось преодолеть неожиданное практическое препятствие.
Органический полупроводник, использованный в устройстве, постепенно вступал в реакцию с жидким кристаллом. В результате срок службы экспериментальных образцов был ограничен, и после сборки у учёных оставалось всего несколько часов на измерения.
Из-за этого ограничения тщательная подготовка стала необходимостью. Перед каждым экспериментальным запуском исследователям нужно было точно определить, какие измерения выполнять и в каком порядке.
«Нам пришлось заранее спланировать всю последовательность экспериментов, — вспоминает доктор Марцин Мушиньский, первый автор статьи, ныне постдокторант Городского колледжа Нью-Йорка. — Повторить измерение означало изготовить совершенно новый образец».
Самые важные измерения проводились в IBM Research в Цюрихе. Там учёные нанесли тонкие слои органического полупроводника на специальные структуры, предназначенные для управления светом. Эти фотонные структуры были изготовлены в Военном технологическом университете.
Сам полупроводник не был для исследователей новым. Учёные IBM годами изучали его квантовые свойства, в том числе способность поддерживать бозе-эйнштейновскую конденсацию.
«Мы много лет изучаем органический полупроводник MeLPPP (метилзамещённый лестничный поли(парафенилен)) и ранее наблюдали в этом материале бозе-эйнштейновскую конденсацию, — говорит Тило Штёферле из IBM Research. — Впервые мы объединили его с жидкокристаллическим микрорезонатором».
Сочетание этих материалов в итоге позволило наблюдать необычное поведение суперсолида при комнатной температуре.
Почему важна квантовая материя при комнатной температуре
Значение открытия не ограничивается демонстрацией ещё одного необычного явления, предсказанного квантовой физикой.
Многие эксперименты с экзотическими квантовыми состояниями зависят от дорогих криогенных систем, поддерживающих температуры, близкие к абсолютному нулю. Эти жёсткие условия усложняют исследования и могут создавать серьёзные препятствия, когда учёные пытаются превратить лабораторные открытия в полезные технологии.
Новые результаты показывают, что некоторые экзотические квантовые эффекты можно изучать в фотонных устройствах, работающих при обычных температурах.
Это может открыть возможности для будущих технологий, использующих свет для обработки информации. Среди потенциальных применений — сверхбыстрые фотонные устройства, специализированные вычислительные ускорители, вдохновлённые тем, как информацию обрабатывает биологический мозг, и современные оптические датчики.
Такой вычислительный подход называется нейроморфными вычислениями: он стремится имитировать некоторые аспекты обработки информации в мозге, чтобы эффективнее решать определённые задачи. Системы на основе света в перспективе могли бы дать новые способы ускорения этих операций.
Исключительная чувствительность суперсолида к поляризации света также может пригодиться при создании датчиков, способных регистрировать чрезвычайно слабые оптические изменения.
Эти применения пока остаются возможностями для будущих исследований, но способность получать лежащее в их основе квантовое поведение без экстремального охлаждения — важный шаг к тому, чтобы сделать такие технологии более практичными.
Электрически управляемая квантовая материя открывает новые возможности
Одна из самых многообещающих особенностей эксперимента состоит в том, что оптическое устройство можно настраивать с помощью электричества.
Жидкокристаллические микрорезонаторы — первая электрически перестраиваемая платформа для изучения суперсолидных конденсатов экситон-поляритонов. Это означает, что исследователи могут менять оптические свойства системы, прикладывая внешнее напряжение.
Прежние экспериментальные подходы не давали такой степени электрического управления.
Возможность динамически настраивать систему даёт физикам больше свободы при изучении того, как квантовые состояния возникают, взаимодействуют и реагируют на меняющиеся условия.
Она также может оказаться ценной при разработке практических квантовых фотонных устройств, где необходим точный контроль над поведением света и вещества.
Объединив работу при комнатной температуре с электрической перестраиваемостью, исследователи создали универсальную платформу для изучения квантовых явлений, для которых прежде требовались гораздо более сложные экспериментальные условия.
О физическом факультете Варшавского университета
У Варшавского университета долгая история исследований и преподавания физики и астрономии. Обе дисциплины вошли в состав университета в 1816 году, когда их включили в философский факультет. Затем, в 1825 году, в университете основали Астрономическую обсерваторию.
Сегодня физический факультет включает Институты экспериментальной физики, теоретической физики и геофизики, а также Кафедру математических методов в физике.
Его исследования охватывают практически все основные области современной физики: от поведения частиц на квантовых масштабах до строения и эволюции Вселенной.
На факультете работает более 250 преподавателей, обучается около 1350 студентов и более 150 аспирантов.
Согласно Шанхайскому глобальному рейтингу научных дисциплин (Global Ranking of Academic Subjects), Варшавский университет входит в 150 лучших учебных заведений мира по физике.