Настоящий кристалл из света: наука снова преодолела границу возможного
NewsMakerКак заставить лазер притвориться твёрдым телом.
Группа исследователей из Национального исследовательского совета Италии (CNR) впервые в истории преобразовала свет в суперкристалл . Достижение позволило получить уникальное квантовое состояние материи, существование которого ранее подтверждалось только в экспериментах с охлаждёнными атомами.
В основу эксперимента легла работа с полупроводником из арсенида галлия-алюминия. При воздействии лазерного луча на специально подготовленный полупроводник внутри материала возникали особые частицы – поляритоны. Обычно они появляются в результате сильного взаимодействия фотонов с электронами полупроводника, образуя уникальное квантовое состояние, в котором свет и материя становятся неразделимы.
На поверхности полупроводника разместили микроскопическую структуру из параллельных гребней – своеобразную решётку с точно выверенными расстояниями между выступами. Размеры и расположение этих гребней были рассчитаны таким образом, чтобы влиять на движение образующихся поляритонов, ограничивая их перемещение строго определёнными путями.
Гребенчатая структура также определяла возможные энергетические состояния поляритонов. Когда эти квазичастицы попадали в созданный физиками 'лабиринт', они могли занимать только определённые энергетические уровни. В результате поляритоны начали коллективно взаимодействовать друг с другом, образуя упорядоченную периодическую структуру – суперкристалл, в котором частицы света оказались “пойманными” в регулярную кристаллическую решётку.
Полученный суперкристалл сочетает в себе, казалось бы, несовместимые свойства. С одной стороны, его частицы выстроены в упорядоченную структуру, напоминающую расположение атомов в кристалле поваренной соли. С другой – материал ведёт себя как сверхтекучая жидкость, полностью лишённая вязкости. Ранее учёным удавалось наблюдать подобное состояние материи только при экспериментах с атомами, охлаждёнными практически до абсолютного нуля, когда начинают преобладать квантовые эффекты.
На самом деле, это исследование стало продолжением работы учёного CNR Даниэле Санвитто, который более десяти лет назад впервые показал, что свет может проявлять свойства жидкости. Санвитто в своё время удалось добиться того, чтобы световые частицы начали взаимодействовать между собой подобно молекулам в жидкости. Нынешняя группа исследователей под руководством Димитриоса Трипогеоргоса пошла дальше, заставив свет одновременно проявлять свойства как жидкости, так и кристалла.
Профессор Альберто Брамати из университета Сорбонна, независимый эксперт в области квантовой физики, подчеркнул важность этого исследования для понимания механизмов фазовых переходов в квантовой материи. По его оценке, хотя существование светового суперкристалла убедительно доказано, требуются дополнительные исследования для всестороннего изучения его свойств и возможностей практического применения.
Открытие не только расширяет представления о фундаментальных законах природы, но и приближает появление технологий, способных изменить будущее квантовых вычислений и коммуникаций.
Группа исследователей из Национального исследовательского совета Италии (CNR) впервые в истории преобразовала свет в суперкристалл . Достижение позволило получить уникальное квантовое состояние материи, существование которого ранее подтверждалось только в экспериментах с охлаждёнными атомами.
В основу эксперимента легла работа с полупроводником из арсенида галлия-алюминия. При воздействии лазерного луча на специально подготовленный полупроводник внутри материала возникали особые частицы – поляритоны. Обычно они появляются в результате сильного взаимодействия фотонов с электронами полупроводника, образуя уникальное квантовое состояние, в котором свет и материя становятся неразделимы.
На поверхности полупроводника разместили микроскопическую структуру из параллельных гребней – своеобразную решётку с точно выверенными расстояниями между выступами. Размеры и расположение этих гребней были рассчитаны таким образом, чтобы влиять на движение образующихся поляритонов, ограничивая их перемещение строго определёнными путями.
Гребенчатая структура также определяла возможные энергетические состояния поляритонов. Когда эти квазичастицы попадали в созданный физиками 'лабиринт', они могли занимать только определённые энергетические уровни. В результате поляритоны начали коллективно взаимодействовать друг с другом, образуя упорядоченную периодическую структуру – суперкристалл, в котором частицы света оказались “пойманными” в регулярную кристаллическую решётку.
Полученный суперкристалл сочетает в себе, казалось бы, несовместимые свойства. С одной стороны, его частицы выстроены в упорядоченную структуру, напоминающую расположение атомов в кристалле поваренной соли. С другой – материал ведёт себя как сверхтекучая жидкость, полностью лишённая вязкости. Ранее учёным удавалось наблюдать подобное состояние материи только при экспериментах с атомами, охлаждёнными практически до абсолютного нуля, когда начинают преобладать квантовые эффекты.
На самом деле, это исследование стало продолжением работы учёного CNR Даниэле Санвитто, который более десяти лет назад впервые показал, что свет может проявлять свойства жидкости. Санвитто в своё время удалось добиться того, чтобы световые частицы начали взаимодействовать между собой подобно молекулам в жидкости. Нынешняя группа исследователей под руководством Димитриоса Трипогеоргоса пошла дальше, заставив свет одновременно проявлять свойства как жидкости, так и кристалла.
Профессор Альберто Брамати из университета Сорбонна, независимый эксперт в области квантовой физики, подчеркнул важность этого исследования для понимания механизмов фазовых переходов в квантовой материи. По его оценке, хотя существование светового суперкристалла убедительно доказано, требуются дополнительные исследования для всестороннего изучения его свойств и возможностей практического применения.
Открытие не только расширяет представления о фундаментальных законах природы, но и приближает появление технологий, способных изменить будущее квантовых вычислений и коммуникаций.