Исследователи из Италии совершили прорыв в физике квантовых состояний материи, впервые превратив свет в сверхтвердое тело. Это открытие не только расширяет фундаментальные знания о природе света, но и закладывает основу для развития новых квантовых и фотонных технологий.
Что такое сверхтвердое тело?
Сверхтвердое тело — это экзотическое квантовое состояние, в котором сочетаются свойства кристаллической структуры твердых тел и сверхтекучести жидкостей. Такое состояние материи долгое время существовало только в теории. Его особенность в том, что вещество сохраняет упорядоченную пространственную структуру, как в кристалле, но способно течь без трения, как жидкость.
Как объясняет физик-атомщик и оптик Якопо Карузотто из Университета Тренто:
«Сверхтвердое тело можно представить как жидкость, состоящую из когерентных квантовых капель, которые периодически расположены в пространстве. Эти капли могут проходить сквозь препятствия, не нарушая своей структуры, подобно кристаллическому твердому телу».
Как удалось превратить свет в сверхтвердое тело?
Создание сверхтвердого состояния из света оказалось особенно сложной задачей. Свет — это не материя, а энергия, поэтому для преобразования фотонов в сверхтвердое состояние их необходимо было «связать» с материальной средой.
Ключевые этапы эксперимента:
- Лазерный источник. Ученые использовали мощный лазер, направленный на полупроводниковую наноструктуру, изготовленную из арсенида галлия. Этот материал обеспечивал материальную составляющую эксперимента.
- Создание поляритонов. Фотоны лазера взаимодействовали с возбуждениями в полупроводнике, формируя поляритоны — квазичастицы, обладающие свойствами как света, так и материи.
- Формирование трех квантовых состояний. Специальная структура полупроводника позволила поляритонам занять три различных квантовых состояния.
- Сначала фотоны фиксировались в состоянии с нулевым импульсом.
- По мере заполнения этого состояния пары фотонов начали перетекать в два соседних состояния.
- Это привело к формированию связанного состояния в континууме (BiC) — ключевого элемента в создании сверхтвердого состояния.
- Сверхтекучесть и структура. Ограничение движения поляритонов в пределах полупроводника обеспечило формирование пространственной структуры, характерной для твердого тела. Одновременно, их способность течь без трения придавала системе сверхтекучие свойства.
Как подтвердили образование сверхтвердого состояния?
Для доказательства создания сверхтвердого состояния команда провела серию точных экспериментов:
- Картирование плотности фотонов. Ученые зафиксировали два четко выраженных пика плотности фотонов с промежутком между ними. Этот паттерн подтвердил нарушение трансляционной симметрии, что является одним из ключевых признаков сверхтвердых состояний.
- Интерферометрические измерения. Для оценки когерентности квантового состояния была применена интерферометрия. Исследование показало, что локальная когерентность сохраняется в каждой части системы, а глобальная — по всей структуре. Это подтверждало устойчивость сверхтвердого состояния.
- Проверка устойчивости. Несмотря на хрупкость, порядок и структура системы сохранялись, что стало окончательным доказательством успешного создания сверхтвердого тела из света.
Значение открытия и перспективы
Это исследование стало первым в мире доказанным случаем создания сверхтвердого состояния из фотонов. По словам Дарио Джераче, физика-теоретика из Университета Павии:
«Создание сверхтвердого состояния в жидкости света открывает путь для детального изучения физических свойств этого явления и может привести к разработке новых фотонных устройств».
Кроме того, работа имеет фундаментальное значение для дальнейших исследований в области квантовой физики:
- Она демонстрирует новый подход к исследованию квантовых фаз материи.
- Способствует изучению процессов в неравновесных системах.
- Открывает перспективы для разработки новых светоизлучающих технологий.
Даниэле Санвитто из Института нанотехнологий CNR добавляет:
«Этот эксперимент не только демонстрирует новый способ создания экзотических фаз материи, но и приближает нас к практическому применению квантовых технологий».
Практическое значение и будущее квантовых технологий
Создание сверхтвердого состояния из света может стать основой для развития новых поколений фотонных устройств, таких как:
- Лазеры нового типа, обладающие повышенной эффективностью и стабильностью.
- Квантовые компьютеры, использующие свет для обработки информации.
- Сенсоры и детекторы, работающие на принципах сверхтекучести.
Это также способствует решению одной из ключевых задач квантовой физики — управления квантовыми состояниями в неравновесных системах. Такой подход может значительно ускорить внедрение новых технологий в практическую сферу.
Связь с развитием квантовых вычислений
Параллельно с этим исследованием, корпорация Microsoft представила свой первый в мире процессор для квантовых вычислений, разработка которого заняла 17 лет. Устройство, меньшее ладони, символизирует важный шаг в развитии квантовых технологий.
Этот процессор может радикально изменить подход к решению сложных промышленных задач, оптимизируя процессы в таких областях, как:
- Криптография и защита данных.
- Моделирование химических реакций.
- Разработка новых материалов и фармацевтических препаратов.
Заключение
Превращение света в сверхтвердое тело — это не просто экспериментальный успех, а значимый шаг в развитии квантовых технологий и понимании фундаментальных свойств материи.
Эти исследования открывают новый горизонт возможностей: от создания сверхэффективных светоизлучающих устройств до разработки уникальных квантовых платформ для вычислений и сенсорики.
Будущее квантовых технологий становится всё более реальным, и подобные открытия приближают нас к новому этапу научного и технологического прогресса.