Сверхтвердые тела — это квантовое состояние материи, сочетающее в себе свойства твердых тел и жидкостей. Теперь ученые превратили сам свет в сверхтвердое тело. Это прорыв, который может привести к новым квантовым и фотонным технологиям.
Сверхтвердость в поляритонных конденсатах фотонных кристаллов. (Trypogeorgos et al., Nature , 2025)
Помимо обычных твердых тел, жидкостей, газов и плазмы существует целый ряд экзотических состояний материи. Давно теоретизированное, но только недавно созданное, сверхтвердое тело имеет кристаллическую структуру, как обычное твердое тело, но оно также может свободно течь, как жидкость.
«Мы можем представить себе сверхтвердое тело как жидкость, состоящую из когерентных квантовых капель, периодически расположенных в пространстве», — говорит физик-атомщик и оптик Якопо Карузотто из Университета Тренто в Италии.
Капли, объясняет Карузотто, «способны проходить сквозь препятствие, не подвергаясь возмущениям, сохраняя неизменными свое пространственное расположение и взаимное расстояние, как это происходит в кристаллическом твердом теле».
Ранее сверхтвердые тела создавались только из атомов, но группа ученых под руководством Национального исследовательского совета (CNR) в Италии впервые создала такое тело с использованием фотонов.
«Осознание этого экзотического состояния конденсированного вещества в жидкости света, текущей в полупроводниковой наноструктуре, позволит нам исследовать его физические свойства новым и контролируемым способом и, возможно, использовать его уникальные характеристики для возможных применений в новых светоизлучающих устройствах», — говорит Дарио Джераче, физик-теоретик из Университета Павии (Италия).
Карта плотности фотонов в сверхтвердом световом теле, модуляция которого видна в виде волнистых линий. (Trypogeorgos et al., Nature , 2025)
Ученые не просто выхватили свободно летящие фотоны из воздуха и не заставили их перейти в экзотическое состояние материи — в конце концов, свет — это не материя, это энергия. Чтобы это сработало, исследователям пришлось соединить фотоны с материей. Фотоны исходили от лазера, который направлялся на полупроводник из арсенида галлия, который обеспечивал материальную часть уравнения. Фотоны взаимодействуют 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 перевода фотонов в три различных квантовых состояния.
Сначала фотоны переходят в состояние 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).
Ограничение поляритонов каждым состоянием внутри полупроводника дает им пространственную структуру твердого тела, в то время как их естественная способность течь без трения делает их сверхтекучими. Свойства обоих вместе должны сделать всю систему сверхтвердым телом.
Чтобы подтвердить это, команде пришлось проверить некоторые из характерных признаков. 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 они использовали интерферометрию для измерения квантового состояния системы и обеспечения ее локальной когерентности в каждом компоненте состояния и глобальной по всей системе. И, конечно же, этот хрупкий порядок сохранился, что стало еще одним доказательством создания сверхтвердого тела.
Команда утверждает, что это совершенно новый способ создания другого состояния материи. «Эта работа не только демонстрирует наблюдение сверхтвердой фазы в 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 такой подход может сократить разрыв между фундаментальной наукой и практическими приложениями».
До этого Microsoft представила первый в мире процессор для квантовых вычислений, чья разработка длилась 17 лет. Он меньше ладони. Microsoft уверена, что достигла важнейшего прогресса в квантовых вычислениях, открыв новые возможности для использования компьютеров в решении крупных промышленных задач.
