Вчені створили надтверду речовину зі світла

Світову наукову спільноту сколихнула новина про черговий прорив у квантовій фізиці: міжнародна команда вчених, очолювана італійськими дослідниками, вперше створила надтверду речовину, використовуючи не атоми, а світло. Цей дивовижний стан матерії, відомий як надтверда речовина, поєднує в собі унікальні властивості твердого тіла і рідини, що відкриває нові перспективи для розвитку квантових і фотонних технологій. Дослідження, опубліковане в журналі Nature у 2025 році, стало результатом співпраці вчених з Національною дослідницькою радою Італії (CNR), Університетом Тренто та Університетом Павії, які разом довели, що навіть світло — форма енергії, а не матерія — може бути наведена до такого екзотичного стану.

Надтверді речовини є одним із найзагадковіших явищ у квантовій механіці. Цей стан матерії теоретично передбачався ще давно, але експериментально був підтверджений лише в останні роки. Уявіть собі кристалічну структуру, що знаходиться на твердому тілі, яка водночас може вільно текти, як рідина, без тертя чи опору. «Ми можемо уявити надтверду речовину як рідину, що складається з когерентних квантових крапель, також розташованих у просторі», — пояснює Якопо Карусотто, атомний і оптичний фізик з Університету Тренто. За його словами, ці краплі здатні обтікати перешкоди, не знаючи збурень, зберігаючи при цьому свою просторову непорядковість і відстань між собою, як у кристалічній решітці.

Раніше надтверді речовини створювалися лише з атомів, але ці розучені пішли далі, використавши фотони — частинки світла. «Реалізація цього екзотичного стану в рідкому світі, що тече в напівпровідниковій наноструктурі, дозволить нам дослідити його фізичні властивості в новому, контрольованому вигляді», — зазначає Дар'о Джераче, фізик конденсованих станів з Університету Павії. Він додає, що унікальні характеристики надтвердого світла можуть знайти застосування в розробці нових світловипромінювальних пристроїв, таких як лазери чи оптичні системи майбутнього.

Та як саме повернути світло на надтверду речовину? Світло, майбутньою енергією, не має маси чи структури, притаманної матерії, тому прямий вплив на вільні фотоні неможливий. Щоб подолати цю проблему, дослідники об’єднали фото з матерією. Експеримент розпочався з використанням лазера, який направлявся на напівпровідник із арсеніду галію. У цьому матеріалі фотони взаємодіють із збудженнями, утворюючи квазічастинки, відомі як поляритони. Ці гібридні частинки, що поєднують властивості світу й матерії, стали основою для створення надтвердого стану.

Процес створення надтвердої речовини зі світла потребував кількох додаткових кроків. Напівпровідник був спеціально структурований так, щоб маніпулювати фотонами й переводити їх у три різні квантові стани. Спочатку фотоні осідали в стані з нульовим імпульсом, але коли цей стан «заповнювався», пари фотонів почали переходити в два сусідні стани. Це призвело до конденсації поляритонів у так званий зв'язаний стан у континуумі (BiC). Саме обмеження поляритонів у цих станах у межах напівпровідника надало їм просторову структуру, характерну для твердого тіла, тоді як їхня природна здатність текти без третини зберігала властивості надплинності. З'єднання цих двох якостей і дало початок надтвердій речовині.

Щоб отримати, що вони дійсно створили надтвердий стан, дослідники провели низку перевірок. Карта щільності фото показала два високі піки з провалами між ними, а поверх цього простежувалася модуляція, що вказувала на порушення трансляційної симетрії — ключова ознака надтвердих речовин. Далі введені продукти інтерферометрії для вимірювання квантового стану системи. Результати показали, що система зберігала когерентність як локально, у кожному окремому компоненті, так і глобально, у всій структурі. Ця крихка впорядкованості стала ще одним доказом успіху експерименту.

«Ця робота не тільки демонструє спостереження надтвердої фази на фотоній платформі, але й відкриває шлях до дослідження квантової фази матерії в нерівноважних системах», — підкреслює Даніеле Санвітто з Інституту нанотехнологій CNR. Словом, цей підхід має особливе значення, адже він може стати мостом між фундаментальною наукою та практичними застосуваннями. Вчені вважають, що створення надтвердої речовини зі світу — це абсолютно новий спосіб формування цього стану, який може змінити наше розуміння квантової механіки та її технологічний потенціал.

Цей прорив уже викликав жваве обговорення в науковій спільноті. Надтверді речовини зі світу можуть стати основою для створення нових типів квантових пристроїв, які працюють на принципах надплинності та когерентності. У майбутньому це може призвести до розробки більш ефективних лазерів, оптичних комп’ютерів чи навіть квантових симуляторів, здатних моделювати складні фізичні явища. Поки що дослідники продовжують розробляти властивості цього нового стану, але вже зрозуміло, що наука зробила ще один крок до розкриття таємниць квантового світу.