Физики получили сверхтвердое состояние вещества при комнатной температуре
Международная группа физиков получила необычное квантовое состояние вещества при комнатной температуре. Оно обладает свойствами сверхтекучей жидкости и одновременно имеет упорядоченную структуру, напоминающую кристалл. Результаты эксперимента опубликованы в журнале Science Advances, сообщает Варшавский университет.
Для создания состояния ученые использовали микрорезонатор — миниатюрную структуру, удерживающую свет. В отличие от многих квантовых установок она не требует глубокого охлаждения. Жидкокристаллические микрорезонаторы могут работать даже при температурах, приближающихся к 60 °C.
Жидкость с порядком кристалла
Полученное состояние называют сверхтвердым конденсатом Бозе—Эйнштейна экситон-поляритонов. Сверхтекучая жидкость способна течь без сопротивления, а сверхтвердое состояние сочетает это свойство с периодической структурой, характерной для кристалла.
Экситон-поляритоны — гибридные квазичастицы, объединяющие свойства света и вещества. В конденсате Бозе—Эйнштейна множество таких квазичастиц ведет себя как единая квантовая система. Обычно для наблюдения подобных состояний требуется экстремальное охлаждение, однако новая установка работает при комнатной температуре.
Исследователи объединили жидкий кристалл, которым можно управлять с помощью напряжения, с органическим полупроводником, сильно взаимодействующим со светом. Энергию системе передавали лазерными импульсами.
Полосы, которые возникают заново
Материалы установки со временем разрушались: полупроводник вступал в реакцию с жидким кристаллом. Поэтому эксперименты приходилось тщательно планировать. Для повторного измерения требовалось изготовить новый образец.
После каждого лазерного импульса конденсат возникал вновь. Его полосы, соответствующие упорядоченной структуре сверхтвердого состояния, каждый раз располагались немного иначе. Это указывало на то, что структура формируется благодаря свойствам самой квантовой системы, а не навязывается микрорезонатором.
Физик Гийом Мальпюш из французского Национального центра научных исследований назвал результат примером спонтанного нарушения симметрии: теория предсказывала, что система может выбрать одно из нескольких равнозначных состояний, и именно это наблюдали ученые. Результаты повторились на нескольких образцах и согласовались с компьютерными моделями.
Зачем это нужно
Хотя состояние существовало лишь доли секунды, этого хватило для измерений. В дальнейшем исследователи намерены увеличить время его жизни и подробнее изучить квантовые вихри — нарушения полосатого рисунка, указывающие на сверхтекучее поведение.
Новая платформа может упростить изучение квантовых жидкостей и сверхтвердых состояний, в том числе при спин-орбитальном взаимодействии, связывающем поляризацию света с его движением. В перспективе такие исследования могут пригодиться при разработке вычислительных систем, фотонных чипов и чувствительных датчиков.
