Создан из света: лазерный луч впервые превратили в сверхтвёрдое вещество

Международная группа нанотехнологов, инженеров и физиков разработала способ заставить лазерный свет стать сверхтвёрдым.


Наиболее верный перевод термина supersolid — сверхтекучее твёрдое тело. Так называют термодинамическую фазу квантовой жидкости, которая представляет собой твёрдое тело со свойствами сверхтекучей жидкости. В научных статьях словом supersolid (дословно «сверхтвёрдый») описывают не твёрдое тело в привычном для нас понимании, а скорее кристалл, обладающий сверхтекучестью.

Сверхтекучее твёрдое тело называют ещё одним состоянием вещества, о котором нам не рассказывали в школе. Сверхтекучее твёрдое тело — это очень необычное состояние материи, которое сочетает в себе свойства твёрдого тела и сверхтекучей жидкости. Обычно твёрдые тела имеют чёткую структуру, их атомы или молекулы расположены в определённом порядке, и они сохраняют свою форму. Например, лёд — это твёрдое тело.

Сверхтекучесть — это свойство жидкости течь без трения. Обычно жидкости, та же вода, имеют внутреннее трение (вязкость). Но сверхтекучая жидкость (например, жидкий гелий при очень низких температурах) может течь без потери энергии, даже через самые узкие щели.

Теперь попытаемся представить, что есть материал, который одновременно сохраняет структуру твёрдого тела, в котором атомы и молекулы упорядочены, и при этом часть его атомов или молекул могут двигаться без трения, как в сверхтекучей жидкости. Это и есть сверхтекучее твёрдое тело. Оно существует только в очень специфических условиях, обычно при крайне низких температурах, и его изучение помогает учёным лучше понять квантовую природу материи.

Сверхтвёрдые тела существуют только в квантовом мире, и до сих пор создавать их удавалось лишь в атомарном масштабе. Предыдущие исследования показали, что они обладают нулевой вязкостью и формируются в виде кристаллических структур, похожих на расположение атомов в кристаллах соли.

Из-за своей особенной природы сверхтвёрдые тела создают в условиях экстремально низких температур, где можно наблюдать квантовые эффекты. Примечательно, что один из участников новой научной работы на эту тему входил в состав группы, которая более десяти лет назад продемонстрировала, что при определённых условиях свет может стать жидкостью.

Чтобы создать сверхтекучее твёрдое тело исследователи направили лазер на кусок арсенида галлия, на который нанесли специальные бороздки. Арсенид галлия — это химическое соединение галлия и мышьяка с формулой GaAs, важный полупроводник, третий по масштабам использования в промышленности после кремния и германия. Используется для создания микроволновых монолитных микросхем, светодиодов, лазерных диодов, фотоприёмников и так далее.

Когда свет попадал на бороздки на куске арсенида галлия, взаимодействие между ним и материалом приводило к образованию поляритонов — своего рода гибридных частиц, — которые удерживались бороздками заранее заданным образом. Это заставляло поляритоны формироваться в сверхтекучее твёрдое тело.

Затем исследователи поставили перед собой задачу проверить, действительно ли перед ними то, что они думают. Задача усложнялась тем, что сверхтвёрдое вещество, состоящее из света, никогда раньше не создавали. Несмотря на трудности, экспериментаторы смогли доказать, что наблюдали то, что является одновременно твёрдым и жидким и не обладает вязкостью.

Учёные планируют продолжить работу со сверхтвёрдым веществом, созданным из света, чтобы больше узнать о его структуре.