Международная группа ученых продемонстрировала необычное состояние квантовой материи — сверхтвердое тело. Оно одновременно сохраняет упорядоченную структуру кристалла и способность к движению без внутреннего трения, характерную для сверхтекучей жидкости. Исследователи смогли наблюдать этот эффект без охлаждения вещества почти до абсолютного нуля.
В работе участвовали специалисты Варшавского университета, Военно-технической академии Польши, исследовательского центра IBM Research Zurich и французского Национального центра научных исследований. Вместо сверххолодных атомов они использовали экситон-поляритоны — гибридные частицы, сочетающие свойства света и материи. Результаты эксперимента опубликованы в журнале Science Advances, сообщает ScienceDaily.
Экситон-поляритоны возникают внутри микрополости, где свет вступает в сильное взаимодействие с веществом. Частицы существуют всего несколько пикосекунд, то есть триллионных долей секунды, однако за это время могут объединиться в конденсат Бозе — Эйнштейна и проявить свойства квантовой сверхтекучей системы. Для эксперимента ученые создали оптическую микрополость со специально разработанным жидким кристаллом и органическим полупроводником.
Такая конструкция позволила получить нужные квантовые эффекты при значительно более высокой температуре, чем в традиционных экспериментах. По словам профессора Военно-технической академии Виктора Пецеки, созданные жидкокристаллические микрополости способны работать при температуре около 60 градусов Цельсия. Управлять их оптическими характеристиками можно с помощью внешнего электрического напряжения.
Признаки сверхтвердого состояния ученые обнаружили в свете, который испускал образец. После перехода системы в новую фазу на нем появлялись равномерно расположенные яркие полосы, указывающие на регулярное изменение плотности конденсата. При каждом лазерном импульсе полосы возникали в разных местах, что стало проявлением спонтанного нарушения симметрии; кроме того, исследователи зафиксировали устойчивую спираль спина — периодическое изменение поляризации света.
Проведение эксперимента осложнялось тем, что органический полупроводник постепенно вступал в реакцию с жидким кристаллом, поэтому готовый образец сохранял рабочие свойства лишь несколько часов. Полученные результаты создают платформу для изучения квантовых явлений при обычных условиях и могут быть полезны при разработке фотонных вычислительных устройств, нейроморфных ускорителей и чувствительных оптических датчиков. Электрическая настройка системы также открывает возможности для создания практических устройств, в которых требуется точно управлять взаимодействием света и материи.