Ученые создали сверхтвердое тело с квантовыми свойствами жидкости

Ранее сверхтвердые тела можно было исследовать только в крупных установках при экстремально низких температурах, а теперь их можно создавать и изучать на компактной платформе размером с чип при комнатной температуре.

Ученые из Политехнического института Ренсселера (RPI, США) достигли значимого прорыва в квантовой физике, создав необычное состояние материи — сверхтвердое тело, способное существовать при обычной температуре. Результаты работы опубликованы в Nature Nanotechnology. До сих пор сверхтвердые тела наблюдали только в условиях близких к абсолютному нулю, что сильно ограничивало исследования и практическое применение.

Как поясняет Вэй Бао, старший автор исследования и доцент кафедры материаловедения и инженерии,

«Наша работа показывает, что это экзотическое состояние можно создать и контролировать с помощью света. Особенно интересно, что оно возникает при комнатной температуре на платформе, которую можно проектировать и масштабировать».

Как свет превращается в квантовую жидкость

Сверхтвердые тела необычны тем, что сочетают два свойства, которые обычно не совместимы: они формируют кристаллоподобную упорядоченную структуру, как твердое тело, и одновременно текут без сопротивления, как жидкость. В эксперименте команда объединила перовскитный кристалл, хорошо известный в оптоэлектронике, с наноструктурой, способной удерживать свет.

При облучении лазером внутри устройства образуются поляритоны — гибридные частицы, сочетающие свойства света и материи. Они взаимодействуют друг с другом, формируя когерентную квантовую жидкость.

«При низкой мощности возбуждения поляритоны конденсируются в одно четкое состояние. По мере увеличения энергии система спонтанно формирует полосатый узор, подобный кристаллу, сохраняя квантовую когерентность», — объясняет Бао.

Самоорганизация и спонтанный порядок

Создание наноструктур, позволяющих сверхтвердому веществу сохранять уникальные свойства при комнатной температуре.

В отличие от обычных твердых тел, которые формируются постепенно при охлаждении, сверхтвердое тело «оживает» в процессе работы. По мере увеличения энергии разные квантовые состояния начинают «соревноваться» друг с другом. Когда система достигает критической точки, она перестраивается сама и выстраивается в несколько согласованных узоров, создавая устойчивый повторяющийся рисунок.

«Каждый эксперимент немного уникален, система выбирает новую конфигурацию. Эта случайность подтверждает, что паттерн формируется спонтанно, а не навязывается извне», — говорит Бао

«Мы наблюдаем фазовый переход одновременно в спектре излучения и в реальном пространстве. Лазерные импульсы синхронизированы с одноразовой съемкой, что позволяет увидеть разные конфигурации напрямую», — добавляет аспирант лаборатории Илин Мэн 

Комфортные условия и новые возможности

Одним из ключевых достижений является возможность работы при комнатной температуре на компактной платформе размером с чип. Ранее изучение сверхтвердых тел требовало больших и сложных установок, работающих при экстремально низких температурах. По словам Бао,

«Это открывает возможность изучать сложные квантовые порядки в управляемых неравновесных системах в гораздо более практичных условиях».

Применение в фотонике и квантовых технологиях

Кроме научного интереса, открытие может пригодиться на практике. Сверхтвердое тело умеет излучать свет одновременно в нескольких режимах, что позволяет создавать новые виды лазеров с улучшенной работой и настраиваемым «рисунком» луча. Управляя этими структурами, можно развивать технологии для оптических вычислений и обработки информации.

 «Это только начало. Платформа позволяет наблюдать, проектировать и контролировать эти экзотические состояния. Она открывает множество направлений для фундаментальной науки и будущих технологий», —  подчеркивает Бао