Дослідники з фізичного факультету Варшавського університету, Військового технологічного університету (Польща), лабораторії IBM Research у Цюриху та Французького національного центру наукових досліджень (CNRS) виявили новий квантовий стан матерії — "надтверде тіло" (суперсолід) — у конденсаті ексітон-полярітонів. Примітно, що це явище спостерігається не за температур, близьких до абсолютного нуля, а за кімнатної температури. Результати роботи опубліковані у журналі Science Advances.
Як рідина може бути одночасно кристалом?
На перший погляд, це здається неможливим. Кристал - структура жорстка і впорядкована, тоді як рідина має плинність. Однак квантова механіка допускає існування стану, що поєднує обидві ці властивості. Все починається з надплинності - незвичайного стану матерії, при якому в'язкість повністю зникає. Надплинна рідина здатна протікати через вузькі канали без будь-якого опору. Якби ви занурили весло в таку рідину, то не відчули б ніякого опору — доти, поки швидкість руху не перевищила б критичне значення, при якому раптово виникають квантові вихори.
Ще в 1960-х роках фізики передбачили, що в надплинному середовищі може одночасно сформуватися періодична структура, подібна до кристалічної. Утворювана при цьому фаза — "надтверде тіло" — зберігає здатність до руху без тертя, властиву надплинним рідинам, і одночасно має просторове впорядкування, характерне для кристалів. Понад півстоліття це залишалося лише теоретичним передбаченням. Лише у 2017 році існування надтвердих тіл було експериментально підтверджено в ультрахолодних атомних конденсатах Бозе – Ейнштейна.
Світло замість атомів
Учасники консорціуму TopoLight обрали зовсім інший шлях. Замість ультрахолодних атомів дослідники вивчали ексітон-поляритони - гібридні квазічастинки, що виникають внаслідок сильного зв'язку між світлом та речовиною всередині оптичного мікрорезонатора. Хоча вони існують лише кілька пікосекунд, цього часу достатньо, щоб сформувати конденсат Бозе - Ейнштейна і виявляти властивості квантового надплинного середовища.
Оптичний мікрорезонатор був заповнений спеціально розробленим рідким кристалом та покритий шаром органічного напівпровідника. Таке унікальне поєднання дозволило досягти сильного зв'язку між світлом і речовиною за кімнатної температури. "Наші рідиннокристалічні мікрорезонатори можуть працювати навіть за температур, що наближаються до 60 °C", — каже професор Віктор Пецек з Військового технологічного університету, чия група розробила ці рідиннокристалічні структури.
Як розпізнати супертверде тіло?
Перехід у супертверду фазу проявляється у виникненні регулярно розташованих яскравих смуг у випромінюванні, що походить від зразка. Ці лінії свідчать, що у конденсаті мимоволі сформувалася періодична модуляція щільності — характерна ознака кристалізації.
Проте експеримент виявив щось ще примітніше.
При кожній дії лазерного імпульсу на зразок смуги з'являлися у різних місцях. Щоразу квантова система самостійно вибирала одну з множини рівнозначних конфігурацій.
"Це класичний приклад спонтанного порушення симетрії", – пояснює професор Гійом Мальпюеш з Інституту Паскаля (CNRS). "Теорія передбачала, що супертверде тіло може обирати один із кількох еквівалентних станів, — саме це ми й спостерігали."
Водночас у конденсаті виникла стійка спінова спіраль — періодична модуляція поляризації випромінюваного світла. В результаті дослідники зафіксували два різні види упорядкованості: один - у поляризації, інший - в інтенсивності світла.
Перегони з часом
Проведення експерименту виявилося набагато складнішим завданням, ніж передбачалося.
Органічний напівпровідник поступово вступав у реакцію з рідким кристалом, тому всі вимірювання потрібно було встигнути виконати лише за кілька годин після збирання зразка.
"Нам доводилося заздалегідь планувати всю послідовність експериментів", — згадує доктор Марцін Мушинський, перший автор статті, нині постдокторант у Міському коледжі Нью-Йорка. "Щоб повторити вимірювання, потрібно було створювати новий зразок."
Найбільш важливі вимірювання були проведені в цюрихському дослідному центрі IBM (IBM Research Zurich), де тонкі плівки органічного напівпровідника наносилися на фотонні структури, виготовлені у Військовому технологічному університеті. "Ми багато років вивчаємо органічний напівпровідник MeLPPP (метилзаміщений сходовий полі(парафенілен)) і раніше вже спостерігали в цьому матеріалі конденсацію Бозе - Ейнштейна", - говорить Тіло Штеферле з IBM Research. "На цей раз ми вперше об'єднали його з рідиннокристалічним мікрорезонатором."
Чому це важливо?
Досі для більшості досліджень екзотичних квантових фаз були потрібні дорогі кріогенні системи, що працюють при температурах, близьких до абсолютного нуля. Нові результати показують, що аналогічні квантові явища можна вивчати у фотонних системах, що функціонують при кімнатній температурі.
Це відкриває захопливі перспективи для майбутніх квантових технологій, заснованих на використанні світла - від надшвидких фотонних пристроїв та прискорювачів для нейроморфних обчислень до високочутливих оптичних датчиків, що використовують виняткову чутливість надтвердої фази до поляризації.
Мабуть, ще важливіше те, що рідиннокристалічні мікрорезонатори є першою платформою з електричною перебудовою параметрів, призначеною для дослідження надтвердих конденсатів ексітон-поляритонів. На відміну від раніше відомих систем, їх оптичними властивостями можна динамічно керувати за допомогою зовнішньої напруги. Це забезпечує безпрецедентну гнучкість у вивченні квантових фаз світла та матерії, прокладаючи шлях до створення практичних квантових фотонних пристроїв.
