Ученые впервые получили «жидкий свет» при обычной температуре

Физики впервые в истории получили «жидкий свет» при комнатной температуре, сделав эту необычную форму материи более доступной, чем когда-либо. Она представляет собой одновременно смесь из сверхтекучей жидкости, обладающей нулевым уровнем трения и вязкости, и своего рода конденсата Бозе — Эйнштейна, который нередко называют пятым состоянием материи. Эти свойства позволяют свету фактически обтекать вокруг находящихся перед ним объектов и углов.

Обычный свет, как правило, демонстрирует свойства волны и иногда частиц и всегда движется только по прямой. Именно поэтому наши глаза, например, не способны видеть за углами. Однако при определенных и весьма экстремальных окружающих условиях свет также может вести себя как жидкость, обретая способность обтекания вокруг объектов.

Интерес для науки конденсаты Бозе — Эйнштейна представляют в первую очередь за счет своего агрегатного состояния, когда правила, по которым они действуют, работают на грани классической и квантовой физики, когда твердая материя начинает приобретать скорее волновые свойства. Как правило, такой конденсат создается при температурах, близких к абсолютному нулю, и способен существовать в буквальном смысле в течение нескольких долях секунды.

Но в рамках последнего исследования ученые смогли создать конденсат Бозе — Эйнштейна при обычной комнатной температуре, используя «франкенштейнский» набор из материи и света.

«Особенность нашей работы заключается в том, что мы продемонстрировали возможность создания состояния сверхтекучести при комнатной температуре окружающей среды, используя частицы светоматерии, называемые поляритонами», — говорит ведущий исследователь Даниэле Санвитто из итальянского Института нанотехнологий CNR NANOTEC.

Создание поляритонов потребовало от исследователей использования очень дорого оборудования и технологий нанотехнологического уровня. Ученые поместили между двумя ультрарефлекторными зеркалами слой органических молекул толщиной 130 нанометров и пропустили через него 35-фемтосекундный лазерный импульс (1 фемтосекунда равна 1 квадриллионной доле обычной секунды).

«Таким образом внутри органических молекул мы смогли объединить свойства фотонов – эффективную массу и скорость – и особенность взаимосвязи электронов», — говорит Стефани Кена-Коэн из Политехнической школы Монреаля (Канада).

В результате получилась «сверхжидкость» с весьма необычными свойствами. При обычных условиях температуры, когда простая жидкость будет обладать свойством текучести, на ее поверхности под внешним воздействием может создаваться рябь и завихрения. Сверхжидкость же такой ответной реакции не показывает.

На изображении ниже можно видеть, как поток поляритонов, направленный в обычную жидкость, создает волны, в то время как внутри сверхжидкости (на нижнем изображении) такой особенности он не демонстрирует.

«В среде сверхжидкости эта турбулентность поглощается находящимися в ней препятствиями, позволяя потоку продолжать свое движение без каких-либо искажений», — говорит Кена-Коэн.

Ученые говорят, что результаты этих исследований не только открывают дорогу к новым исследованиям особенностей квантовой гидродинамики, но также и к созданию устройств и технологий будущего, которые будут способны использовать поляритоны в обычных условиях. Речь идет о новых типах сверхпроводниковых материалов, которые можно будет использовать в производстве нового поколения светодиодов, солнечных панелей и лазеров.

«Тот факт, что подобный эффект наблюдается и при обычных условиях окружающей среды, открывает множество возможностей для будущей работы», — говорят исследователи.

«Это не только новая веха в исследовании таких феноменов, как конденсаты Бозе — Эйнштейна, но и дорога к потенциальной разработке футуристичных фотонных устройств на базе сверхтекучих жидкостей, в которых проблема искажений будет полностью отсутствовать, а вместо этого будет открыта дверь к другим новым неожиданным феноменам».

Результаты работы итальянских физиков были опубликованы в последнем номере журнала Nature Physics.