Надтверді речовини – це дивний квантовий стан матерії, який поєднує в собі властивості твердих тіл і рідин. Тепер вони стали ще більш карколомними, оскільки вчені перетворили саме світло на надтверду речовину. Це прорив, який може призвести до нових квантових і фотонних технологій. Крім повсякденних твердих тіл, рідин, газів і плазми, існує цілий зоопарк екзотичних станів матерії. Давно теоретизували, але нещодавно створили, надтверде тіло має кристалічну структуру, як і звичайне тверде тіло, але воно також може, незрозуміло інтуїтивно, вільно текти, як рідина.
«Ми можемо уявити собі надтверде тіло як рідину, що складається з когерентних квантових крапель, періодично розташованих у просторі», — каже атомний і оптичний фізик Якопо Карузотто з Університету Тренто в Італії.
Краплі, пояснює Карузотто, «можуть протікати крізь перешкоду, не зазнаючи збурень, зберігаючи своє просторове розташування та взаємну відстань незмінними, як це відбувається в кристалічному твердому тілі». Раніше супертверді тіла створювали лише з атомів, але команда вчених з Національної дослідницької ради (CNR) в Італії тепер вперше створила такий з використанням фотонів.
«Усвідомлення цього екзотичного стану конденсованої речовини в рідині світла, що протікає в напівпровідниковій наноструктурі, дозволить нам досліджувати її фізичні властивості новим і контрольованим способом і, можливо, мати можливість використовувати її унікальні характеристики для можливих застосувань у нових світловипромінюючих пристроях», — каже фізик конденсованої речовини Даріо Джераче з італійського університету Павії.
Зрозуміти, що саме тут відбувається, може бути складно. Вчені не просто витягли вільно літаючі фотони з повітря та перевели їх в екзотичний стан матерії – зрештою, світло – це не матерія, а енергія. Щоб це запрацювало, дослідникам довелося зв’язати фотони з матерією. Фотони надходили від лазера, який направлявся на напівпровідник арсеніду галію, що забезпечував матеріальну частину рівняння. Фотони взаємодіють зі збудженнями в матеріалі, створюючи квазічастинки, які називаються поляритонами.
Подібні установки використовувалися в минулому, щоб перетворити світло на надплинну рідину. Перетворення його в надтверде тіло вимагає кількох додаткових кроків. Арсенід галію мав особливу структуру, призначену для переведення фотонів у три різні квантові стани. Спочатку фотони переходять у стан із нульовим імпульсом, але коли цей стан «заповнюється», пари фотонів починають перетікати в два сусідні стани. Це змушує поляритони конденсуватися в те, що команда називає зв’язаним станом континууму (BiC).
Обмеження поляритонів до кожного стану всередині напівпровідника дає їм просторову структуру твердого тіла, тоді як їх природна здатність текти без тертя робить їх надплинними. Властивості обох разом мають зробити всю систему надтвердим тілом. Щоб підтвердити, що це так, команді довелося перевірити наявність деяких ознак. Картування щільності фотонів показує два високі піки з прірвою в центрі. Але на додачу до цього лежить особливий зразок модуляції, який вказує на те, що трансляційна симетрія порушена – характеристика надтвердих тіл.
Далі вони використовували інтерферометрію для вимірювання квантового стану системи та забезпечення його когерентності локально, у кожному компоненті стану та глобально в усій системі. І, звичайно, цей крихкий порядок тримався разом, додаючи ще один доказ створення надтвердої речовини. Команда каже, що це абсолютно новий спосіб створити дивний стан матерії.
«Ця робота не тільки демонструє спостереження надтвердої фази на фотонній платформі, але також відкриває шлях до дослідження квантових фаз матерії в нерівноважних системах», — говорить фізик Даніеле Санвітто з Інституту нанотехнологій CNR. «Це особливо важливо, оскільки цей підхід має потенціал для подолання розриву між фундаментальною наукою та практичним застосуванням». Дослідження було опубліковано в журналі Nature.