Международная группа ученых впервые получила сверхтвердое состояние вещества – экзотическую квантовую фазу, которая одновременно проявляет свойства кристалла и сверхтекучей жидкости, – при комнатной температуре. Ранее для наблюдения этого феномена требовалось охлаждать образцы до температур, близких к абсолютному нулю.
Сверхтвердое тело сочетает, казалось бы, несовместимые характеристики: оно имеет упорядоченную кристаллическую структуру, но при этом его частицы могут двигаться без трения, как в жидкости, лишенной вязкости. Гипотезу о таком состоянии выдвинули еще в 1960-х годах, однако экспериментально ее подтвердили лишь в 2017 году в ультрахолодных атомных конденсатах Бозе-Эйнштейна.
Исследователи из Варшавского университета, Военно-технической академии (Польша), IBM Research Zurich и Национального центра научных исследований Франции (CNRS) использовали другой подход. Вместо охлаждения атомов они работали с гибридными квазичастицами – экситонными поляритонами. Они возникают, когда свет и вещество сильно взаимодействуют в специальной оптической камере (микрорезонаторе).
Для эксперимента ученые создали микрорезонатор с жидким кристаллом, который покрыли органическим полупроводником. Такая конструкция позволила получить нужные квантовые эффекты без экстремального охлаждения – система работала при температурах до 60°C.
О том, что вещество перешло в сверхтвердую фазу, судили по характеристикам света, который испускал образец. Физики зафиксировали появление ярких, регулярно расположенных полос, что указывало на формирование периодической структуры плотности, свойственной кристаллам. При этом с каждым новым лазерным импульсом положение полос менялось – система произвольно выбирала одну из нескольких равновероятных конфигураций. Так проявляется спонтанное нарушение симметрии, что подтвердило теоретические предсказания.
Поскольку эксперименты теперь можно проводить при комнатной температуре, для изучения экзотических квантовых состояний больше не требуется дорогое криогенное оборудование. Это упрощает путь от лабораторных открытий к технологиям. В перспективе на основе этого эффекта можно создавать оптические компьютеры, сверхчувствительные сенсоры и нейроморфные системы, которые имитируют работу мозга.
Еще одно преимущество новой платформы – ее электрическая управляемость. Ученые могут изменять оптические свойства системы, прикладывая внешнее напряжение. Такой контроль дает физикам больше гибкости при изучении квантовых явлений и может стать решающим фактором при создании практических фотонных устройств.
