За първи път в историята на науката изследователи са успели да превърнат светлината в така нареченото „свръхтвърдо“ състояние - екзотичен материал, който съчетава свойствата на течност и твърдо тяло благодарение на квантовите си характеристики. Пробивът е постигнат от екип учени от Националния съвет за научни изследвания (CNR) на Италия, които са използвали полупроводник и лазер, за да създадат свръхтвърдото състояние. Откритията, публикувани в списание Nature, откриват нови възможности за изучаване на квантовите състояния на материята и могат да доведат до революционни технологични приложения.
Какво е свръхтвърдо състояние?
Свръхтвърдите материали, теоретично предсказани още през 1969 г., са уникално състояние на материята, което притежава едновременно свойствата на кристал и свръхфлуидност. Това означава, че такива материали имат нулев вискозитет (като свръхфлуидите) и същевременно запазват подредена кристална структура, подобна на тази на готварската сол. Досега свръхтвърдите състояния можеха да бъдат създадени само при експерименти с ултрастудени атоми, охладени до температури, близки до абсолютната нула. Италианските изследователи обаче за първи път постигнаха това, като използваха полупроводник на основата на алуминиево-галиев арсенид и лазерно лъчение.
Как е създаден новият свръхтвърд материал?
Екипът от учени, ръководен от Димитрис Трипогеоргос, използва полупроводник със специална повърхностна топография, състояща се от тесни хребети. Този материал е облъчен с лазер, в резултат на което светлината взаимодейства с полупроводника и се образуват хибридни частици, известни като поляритони. Поляритоните са квазичастици, които възникват, когато фотоните светлина взаимодействат с възбудени състояния в даден материал. Уникалната структура на полупроводника позволява на учените да контролират движението и енергийните нива на поляритоните, което в крайна сметка води до самоорганизирането им в свръхтвърдо състояние. „Ние ефективно превърнахме светлината в твърдо тяло. Това е впечатляващ резултат и ние сме в самото начало на нещо напълно ново“, коментира Трипогеоргос в интервю за New Scientist.
Предимства на новия метод
Едно от основните предимства на новия подход е неговата относителна простота и контролируемост в сравнение с методите, използващи свръхстудени атоми. При предишни експерименти за създаването на ултратвърди състояния са необходими изключително ниски температури, което прави процеса сложен и скъп. Използването на полупроводници и лазери открива нови възможности за изследване на квантови материали при по-достъпни условия. Как беше потвърдено свръхтвърдото състояние? За да докажат, че полученият материал наистина е свръхтвърд, учените направиха прецизни измервания на модулацията на поляритоновата плътност. Това им позволи да регистрират нарушаването на транслационната симетрия на материала - ключов признак на свръхтвърдото състояние. „Предоставяме експериментални доказателства за нова реализация на свръхтвърдата фаза в дисипативна, неравновесна система, основана на кондензация на екситон-полиритон“, отбелязват авторите на изследването.
Перспективи и възможни приложения
Според изследователите новият метод за създаване на свръхтвърди материали може значително да опрости изучаването на квантови преходи и фазови трансформации. Това открива пътя към по-добро разбиране на екзотичните състояния на материята и потенциалното им използване в квантовите технологии като квантови компютри и свръхчувствителни сензори. Въпреки това учените подчертават, че са необходими допълнителни изследвания, за да се разберат напълно свойствата на новия материал. Въпреки това вече е ясно, че този пробив може да бъде важна стъпка към създаването на нови материали с уникални свойства, които досега се считаха за недостижими. Експериментът на италианските учени демонстрира как съвременните технологии дават възможност за манипулиране на светлината и материята на квантово ниво, създавайки състояния, които предизвикват нашето разбиране за физиката. Този успех не само задълбочава познанията ни за квантовите явления, но и открива нови хоризонти за технологични иновации, които могат да променят бъдещето на науката и технологиите.
Comments