Физики обнаружили необычное квантовое состояние материи при комнатной температуре
Европейские физики впервые получили электрически управляемое сверхтвёрдое состояние квантовой жидкости света при комнатной температуре. Это необычное состояние материи сочетает свойства сверхтекучей жидкости и упорядоченную структуру, характерную для кристаллов. Ранее подобные квантовые явления преимущественно исследовали при температурах, близких к абсолютному нулю. Новая экспериментальная установка позволяет наблюдать их без сложного криогенного охлаждения.
Открытие совершили исследователи Варшавского университета, Военно-технической академии Польши, исследовательского центра IBM в Цюрихе и французского Национального центра научных исследований (CNRS). Эксперимент проводился в рамках международного проекта TopoLight, посвящённого изучению квантовых свойств света и материи.
Существование сверхтвёрдого состояния физики предсказали ещё в 1960-х годах. Согласно теории, при определённых условиях квантовая система может одновременно обладать сверхтекучестью и пространственной упорядоченностью. В обычной жидкости частицы свободно перемещаются, тогда как в кристалле образуют регулярную структуру. Сверхтвёрдая фаза объединяет эти особенности: её плотность периодически изменяется в пространстве, но при этом сохраняются свойства коллективного квантового состояния. Впервые такое явление экспериментально наблюдали в 2017 году в сверххолодных атомных газах.
В новом исследовании учёные использовали не охлаждённые атомы, а экситонные поляритоны — квазичастицы, возникающие при сильном взаимодействии света с веществом. Для их создания изготовили оптическую микрополость, содержащую жидкий кристалл и тонкие слои органического полупроводника. Свет многократно взаимодействовал с полупроводником внутри этой структуры, формируя поляритоны с необычными квантовыми свойствами.
Отдельные поляритоны существуют всего несколько пикосекунд, то есть триллионных долей секунды. Однако даже за столь короткое время они способны сформировать конденсат Бозе — Эйнштейна, в котором множество квазичастиц ведут себя согласованно, словно единая квантовая система. При определённых условиях исследователи наблюдали переход такого конденсата в сверхтвёрдую фазу.
Главным экспериментальным признаком перехода стало появление регулярно расположенных светлых полос в излучении образца. Они свидетельствовали о периодическом изменении плотности поляритонов, напоминающем упорядоченную структуру кристалла. При этом после каждого нового лазерного импульса полосы возникали в немного другом положении. Система самостоятельно выбирала одну из нескольких равноправных пространственных конфигураций — явление, известное в физике как спонтанное нарушение симметрии.
Дополнительно учёные обнаружили периодическое изменение поляризации света, называемое спиновой спиралью. Таким образом, в системе одновременно возникали два вида пространственного порядка: один проявлялся в интенсивности излучения, другой — в его поляризации. Исследователи также зарегистрировали квантовые вихри, характерные для сверхтекучих систем. Совокупность этих наблюдений позволила установить образование сверхтвёрдой фазы в поляритонном конденсате.
Особенность новой установки заключается в возможности управлять её оптическими свойствами с помощью электрического напряжения. Изменяя ориентацию молекул жидкого кристалла, физики могли перестраивать взаимодействие световых мод и условия формирования конденсата. По словам профессора Виктора Пецека из Военно-технической академии Польши, разработанные жидкокристаллические микрополости способны работать даже при температурах, приближающихся к 60 °C. Это делает их перспективной платформой для исследования квантовых эффектов без охлаждения до экстремально низких температур.
Полученные результаты могут использоваться при разработке сверхбыстрых фотонных устройств, оптических датчиков и экспериментальных систем обработки информации. Однако исследование пока носит фундаментальный характер: готового квантового процессора или коммерческого устройства на основе обнаруженного состояния не создано. Поляритонный конденсат существует чрезвычайно короткое время и поддерживается внешним лазерным возбуждением.
Проведение эксперимента осложнялось химическим взаимодействием органического полупроводника с жидким кристаллом. После сборки образца исследователи располагали лишь несколькими часами для выполнения наиболее важных измерений. Повторение опыта требовало изготовления новой структуры. Основные измерения проводились в IBM Research Zurich, где специалисты наносили органические полупроводниковые плёнки на фотонные компоненты, изготовленные в польской Военно-технической академии.
Исследование в журнале Science Advances.