Свет всегда считался сущностью, которая не поддается замедлению или «заморозке» из-за отсутствия массы у фотонов, движущихся с максимальной скоростью во Вселенной — около 300 тысяч километров в секунду. Фактически свет либо проявляется как волна, либо как частица, и до недавнего времени исследователи не могли добиться его превращения в нечто твердое, способное вести себя как материал. Однако группа ученых из Италии, представляющая Университет Павии и исследовательский центр CNR Nanotec, совершила прорыв, «заморозив» свет и создав сверхтвердое состояние, где фотоны объединяются в кристаллическую структуру, но при этом способны течь без сопротивления, подобно сверхтекучей жидкости.Сверхтвердое тело — одна из наиболее необычных фаз вещества, объединяющая свойства твердого и жидкого состояний. В нем атомы располагаются в упорядоченном кристаллическом решетчатом строении, в то время как вещество способно течь без вязкости, то есть практически без трения.
Ранее такие состояния наблюдались у плотных систем из атомов при сверхнизких температурах. Но то, что удалось сделать с фотонами — беспрецедентно и открывает обширные перспективы.В ходе экспериментов был создан уникальный «квантовый театр» — специально сконструированная среда, где свет переводится в квазичастицы с массой при помощи взаимодействия с материей при ультранизких температурах. Из-за влияния холодной среды фотоны начинают взаимодействовать, формируя упорядоченную структуру, которая напоминает твердое тело. Это и есть так называемое «замораживание» света.
В состоянии сверхтвёрдого тела фотонный поток демонстрирует поведение, близкое к сверхтекучести — движение практически без сопротивления.Полученные результаты опубликованы в научном журнале Nature и уже вызывают большой интерес в научном мире. Преимущества новых открытий могут быть весьма масштабны. Прежде всего появляется возможность управлять светом в новых фазах с уникальными физическими свойствами, что способствует развитию квантовых технологий. Такие сверхтвердые состояния могут применяться в квантовых вычислениях, оптических коммуникациях и создании сверхчувствительных датчиков.
Отдельно стоит отметить, что подобное исследование знаменует собой важный шаг в экспериментальной квантовой физике и фотонике. Ведь фотон традиционно считается частицей, практически не взаимодействующей своей массой с другими фотонами. Создать условия, при которых между ними появляется взаимодействие, значит открыть двери для новых видов материалов и устройств. Возможность перераспределения энергии и формирования квазичастиц с фотонной массой ведет к революционным изменениям в понимании материи и света.Так называемый «квантовый театр», изобретенный учеными, представляет собой аккуратно организованную структуру, где холодные условия и точный контроль параметров позволяют добиться нужного эффекта.
Это демонстрирует, что управлять светом можно не только в виде волн и частиц, но и как сложной формы вещества с уникальными характеристиками.В дополнение к применению в области высокотехнологичных устройств, такие открытия могут дать ключи к пониманию феноменов в астрофизике и теории конденсированных сред. Ведь свет в космосе не всегда ведет себя просто как бозон — взаимодействия в особых условиях могут менять его свойства. Поэтому экспериментальные подтверждения на Земле положительно влияют на базовые знания о Вселенной.Более того, возможность создания сверхтвердого состояния из света предлагает перспективы для развития новых материалов с особенными оптическими и механическими свойствами.
Речь идет о материалах, которые могут изменять форму или свойства под воздействием света, а также о новых способах передачи информации, где квантовые эффекты усиливают эффективность и безопасность каналов связи.Столь сложные эксперименты требуют участия высококвалифицированных специалистов и применения новейших технологий по охлаждению и контролю фотонных систем. Команда исследователей использовала самые современные методы создания условий почти абсолютного нуля температуры, что критично для обеспечения нужных квантовых взаимодействий между фотонами.Несмотря на масштабность экспериментов и текущие достижения, ученые подчеркивают, что впереди еще много исследований, направленных на понимание полного спектра свойств и возможностей сверхтвердых материалов на основе света. Имеется потенциал адаптации этих открытий для практических нужд, но многое зависит от успешного перехода от лабораторных условий к применению в реальных устройствах и системах.
