Физики получили состояние вещества, сочетающее свойства жидкости и кристалла
Физики получили при комнатной температуре необычное квантовое состояние, в котором вещество одновременно проявляет свойства жидкости и кристалла. Международная группа исследователей впервые наблюдала сверхтвёрдую фазу в особой смеси света и вещества, причём для эксперимента не понадобилось охлаждать образец почти до абсолютного нуля. Открытие позволит изучать редкие квантовые явления в гораздо более простых условиях и может помочь в создании новых оптических устройств. Результаты эксперимента опубликованы в журнале Science Advances. Обычно жидкость свободно меняет форму, а кристалл сохраняет строгий порядок расположения частиц. Однако квантовая физика допускает куда более странное сочетание. В сверхтвёрдом состоянии вещество образует упорядоченную структуру, напоминающую кристаллическую решётку, но при этом сохраняет свойства сверхтекучей жидкости. Сверхтекучесть позволяет веществу двигаться без вязкого сопротивления, словно привычные законы трения перестают действовать. Физики предсказали существование сверхтвёрдого состояния ещё в 1960-х годах, но подтвердить необычную теорию удалось лишь в 2017 году. Тогда учёным пришлось охлаждать атомный газ почти до абсолютного нуля, около −273 °C. Поддерживать столь низкую температуру сложно и дорого, поэтому исследователи искали способы получить похожие квантовые состояния в более доступных условиях. Авторы новой работы решили использовать свет вместо охлаждённых атомов. Для эксперимента физики собрали крошечную оптическую полость с жидким кристаллом и органическим полупроводником. Когда лазер освещал конструкцию, внутри возникали экситон-поляритоны, особые квазичастицы, которые объединяют свойства света и вещества. Поляритоны существуют всего несколько триллионных долей секунды, но успевают собраться в общее квантовое состояние и начать вести себя как единая система. Физики называют такое состояние конденсатом Бозе-Эйнштейна. Главное доказательство появилось в свете, который испускал образец. Исследователи увидели чередующиеся яркие и тёмные полосы, расположенные через одинаковые промежутки. Узор показал, что внутри квантовой жидкости возникла упорядоченная структура. Самое интересное началось при повторных лазерных импульсах: полосы каждый раз появлялись в новом месте, хотя условия эксперимента оставались прежними. Квантовая система самостоятельно выбирала расположение полос, словно каждый раз заново решала, как выстроить внутреннюю структуру. Физики называют такое поведение спонтанным нарушением симметрии. Причём полосы продолжали формироваться даже при наличии неоднородностей в материале. Дополнительно исследователи обнаружили квантовые вихри примерно в 10% случаев. Вихри и устойчивость полос поддерживают вывод о сверхтекучих свойствах конденсата, хотя авторы признают, что для их более точной проверки потребуются дополнительные измерения. Учёные заметили ещё одну необычную особенность. Вместе с полосами яркости внутри конденсата менялась поляризация света, то есть направление колебаний световой волны. Причём изменения тоже подчинялись определённому порядку. В результате исследователи наблюдали сразу две периодические структуры, одну в интенсивности света, другую в его поляризации. Получить столь подробные результаты оказалось непросто. Органический полупроводник постепенно вступал в реакцию с жидким кристаллом, из-за чего экспериментальная конструкция сохраняла нужные свойства всего несколько часов после сборки. Физикам приходилось заранее продумывать последовательность измерений и работать быстро. Если требовалось повторить опыт, образец приходилось изготавливать заново. Зато новая конструкция обладает важным преимуществом: её оптическими свойствами можно управлять с помощью электрического напряжения. Меняя напряжение, исследователи могут влиять на взаимодействие света и вещества и изучать, как ведёт себя квантовая жидкость в разных условиях. Разработчики также отмечают, что жидкокристаллические полости способны работать при температурах, приближающихся к 60 °C, хотя саму сверхтвёрдую фазу наблюдали при комнатной температуре. В будущем подобные системы могут пригодиться для создания сверхбыстрых оптических устройств, чувствительных датчиков и вычислительных ускорителей, которые обрабатывают информацию с помощью света. Пока физики продемонстрировали необычное квантовое явление, а до практических устройств предстоит пройти ещё немалый путь. Но возможность управлять сверхтвёрдой фазой электрическим напряжением значительно расширяет возможности экспериментов и позволяет исследовать квантовые свойства света без дорогостоящего охлаждения.