Ученые создали сверхтвердое тело из света: Лазерный свет впервые «затвердел» — что это даст науке?

Физикам впервые удалось заставить свет вести себя как сверхтвердое тело — экзотическую квантовую материю, которая одновременно обладает жесткостью кристалла и способностью течь без трения. Исследователи из Италии и Великобритании создали гибридные частицы — поляритоны, — запертые в микроскопических гребнях кристалла арсенида галлия. Этот эксперимент не просто повторяет свойства атомных сверхтвердых тел, а предлагает принципиально новый инструмент для изучения квантовой физики и, потенциально, для создания сверхчувствительных сенсоров или квантовых компьютеров нового типа.

Квантовый гибрид: как поймать свет в кристаллическую решетку

Сверхтвердое тело — это парадокс природы. Его атомы выстроены в упорядоченную решетку, как в обычном кристалле, но при этом вся система находится в состоянии конденсата Бозе-Эйнштейна, теряя вязкость и обретая сверхтекучесть. Ранее такие состояния удавалось получать только при температурах, близких к абсолютному нулю, используя облака охлажденных атомов. Новый подход кардинально отличается. Вместо атомов ученые использовали поляритоны — квазичастицы, возникающие при взаимодействии фотонов с возбуждениями в твердом теле. Направив лазер на кристалл с наноразмерными гребнями, исследователи «заперли» поляритоны в ловушке. Взаимодействие света с микроструктурой кристалла заставило эти гибридные частицы спонтанно организоваться в периодическую структуру, напоминающую кристаллическую решетку, сохраняя при этом квантовую когерентность.

Проверка парадокса: доказательство существования

Главной задачей после создания объекта стало доказательство его двойственной природы. Ученым необходимо было подтвердить, что система одновременно обладает тремя ключевыми свойствами: структурной упорядоченностью (твердость), отсутствием вязкости (сверхтекучесть) и способностью к течению (жидкость). Анализ дисперсии и модуляций плотности созданного поляритонного конденсата показал, что все три условия соблюдены. Система продемонстрировала характерные признаки «нежесткой» решетки — структуры, которая может деформироваться и течь, не разрушаясь. Создание сверхтвердого тела из света знаменует собой переход от фундаментальной теории к практической инженерии квантовых состояний. До этого момента сверхтвердые тела оставались экзотическим, трудно контролируемым феноменом, доступным лишь в сложнейших криогенных установках. Оптическая система на основе поляритонов работает при более высоких температурах и предоставляет исследователям гораздо больше возможностей для манипуляции параметрами системы. Это открывает прямой путь к моделированию сложных квантовых систем, которые невозможно изучать в лаборатории напрямую. Кроме того, способность света одновременно быть и «кристаллом», и «сверхтекучей жидкостью» может лечь в основу принципиально новых логических элементов для квантовых вычислений и сверхточных датчиков, способных регистрировать мельчайшие гравитационные или инерциальные возмущения.