Итальянские физики получили из фотонов сверхтвердое состояние материи. «Мы можем представить себе сверхтвердое тело как жидкость, состоящую из когерентных квантовых капель, периодически расположенных в пространстве», — говорит атомный и оптический физик Якопо Карузотто из Университета Тренто в Италии. — «Эти капли способны протекать сквозь препятствие, не подвергаясь возмущениям, сохраняя свое пространственное расположение и взаимное расстояние неизменными, как это происходит в кристаллическом твердом теле».
Если свет «заморозить», получится сверхтвердый материал
Итальянские физики получили из фотонов состояние материи, которое называется сверхтвердым. В этом состоянии материал имеет кристаллическую решетку, но может течь, как жидкость. Физики рассчитывают создать на основе этого экзотического состояния материи новые светоизлучающие устройства.
Сверхтвердость в поляритонных конденсатах фотонных кристаллов. Trypogeorgos et al., Nature, 2025
Помимо обычных твердых тел, жидкостей, газов и плазмы, существует целый «квантовый зоопарк» экзотических состояний материи. Среди них сверхтвердое тело — одно из самых странных. Его существование давно было теоретически предсказано, но получить его удалось совсем недавно. Сверхтвердое тело имеет кристаллическую структуру, как обычное твердое тело, но оно также может, вопреки интуиции, свободно течь, как жидкость
Сверхтвердые тела ранее удавалось получить только из атомов, но группа под руководством ученых из Национального исследовательского совета (CNR) в Италии впервые создала его с использованием фотонов. Работа опубликована в журнале Nature.
«Представление этого экзотического конденсированного состояния вещества как своего рода жидкого света, протекающей полупроводниковой наноструктуры, позволит нам исследовать его физические свойства новым и контролируемым способом и, возможно, использовать его уникальные характеристики для создания новых светоизлучающих устройствах», — говорит физик-теоретик Дарио Джераче из итальянского Университета Павии.
Как устроен «жидкий твердый свет»
Карта плотности фотонов в сверхтвердом теле света, модуляция которого видна в виде волнистых линий.
Понять, как устроено новое сверхтвердое тело не так просто. Нельзя сказать, что ученые выхватили свободно летящие фотоны из воздуха и перевели их в экзотическое состояние материи (свет — это ведь не материя, это энергия). Чтобы это сработало, исследователям пришлось соединить фотоны с материей. Фотоны исходили из лазера, который направлялся на полупроводник из арсенида галлия, который обеспечивал материальную часть «уравнения». Фотоны взаимодействали с возбуждениями в материале, создавая квазичастицы, называемые поляритонами.
Подобные установки использовались в прошлом для превращения света в сверхтекучую жидкость. Превращение его в сверхтвердое тело требует нескольких дополнительных шагов. Арсенид галлия имел особую структуру, предназначенную для манипулирования фотонами в трех различных квантовых состояниях.
Сначала фотоны устанавливаются в состоянии с нулевым импульсом, но по мере того, как это состояние «заполняется», пары фотонов начинают перетекать в два соседних состояния. Это заставляет поляритоны конденсироваться в то, что команда называет связанным состоянием в континууме (BiC).
Итальянские ученые создали сверхтвердое тело из света
Плотность фотонов в сверхтвердом теле образует два пика.
Ограничение поляритонов каждым состоянием внутри полупроводника — это то, что дает им пространственную структуру твердого тела, в то время как их естественная способность течь без трения делает их сверхтекучими. Оба свойства вместе должны сделать всю систему сверхтвердым телом.
Чтобы подтвердить это, команде затем пришлось проверить некоторые из явных признаков сверхтвердого вещества. Картирование плотности фотонов выявляет два возвышающихся пика с пропастью в центре. Но поверх этого лежит особый рисунок модуляции, который указывает на то, что трансляционная симметрия нарушена — это характеристика сверхтвердых тел.
Затем ученые использовали интерферометрию для измерения квантового состояния системы и обеспечения его локальной когерентности в каждом компоненте состояния и глобально во всей системе. Когда этот порядок сохранился, стало понятно, что сверхтвердое тело действительно удалось получить.
«Эта работа не только дает возможность наблюдать сверхтвердую фазу на фотонной платформе, но и открывает путь к исследованию квантовых фаз материи в неравновесных системах», — говорит физик Даниэле Санвитто из Института нанотехнологий CNR. — «Это особенно важно, поскольку этот подход может преодолеть разрыв между фундаментальной наукой и практическими приложениями».