В Сколковском институте науки и технологий (Сколтех) совместно с коллегами из Исландии, Польши и Института спектроскопии РАН был проведен эксперимент, результат которого можно назвать созданием «апериодической мозаики из света». Это состояние материи характеризуется дальним порядком, но при этом лишено повторяющихся узоров, что делает его похожим на математический парадокс, воплощенный в физике.
Ученые создали новую форму материи: как работает поляритонный квазикристалл
Для понимания этого прорыва нужно разобраться в природе гибридных частиц, из которых состоит это вещество.
Что такое экситон-поляритоны?
Обычная материя состоит из атомов и электронов. Новая форма материи построена из квазичастиц — экситон-поляритонов.
- Гибридная природа: Это «химический брак» между фотоном (частицей света) и экситоном (электронной дыркой в полупроводнике).
- Свойства: Поляритоны обладают почти нулевой массой, как свет, но при этом могут взаимодействовать друг с другом, как материя. Их часто называют «жидким светом».
- Создание: Чтобы их получить, ученые помещают полупроводник в оптический микрорезонатор и охлаждают его до сверхнизких температур, а затем «накачивают» лазером.
Структура квазикристалла
В отличие от обычных кристаллов (например, соли или алмаза), где атомы выстроены в строгой периодической сетке, квазикристаллы имеют апериодическую структуру.
- Мозаика Пенроуза: Ученые «напечатали» на чипе узор, который никогда не повторяется, но при этом обладает строгим дальним порядком.
- Фазовая синхронизация: Главное достижение в том, что ученые создали новую форму материи, способную к новому режиму фазовой синхронизации. Поляритоны в этой структуре начали двигаться согласованно, создавая макроскопическую квантовую волну.
Почему это важно: от фундаментальной науки к технологиям
Создание новых состояний вещества — это не просто удовлетворение любопытства физиков. Это фундамент для технологий следующего поколения.
Сверхтекучесть и квантовые вычисления
Поляритонные квазикристаллы — это идеальная среда для изучения сверхтекучести.
- Отсутствие трения: Жидкий свет может течь без потери энергии.
- Квантовые вихри: В квазикристаллической решетке вихри сверхтекучей жидкости ведут себя иначе, чем в пустом пространстве. Это позволяет моделировать сложные космологические процессы (например, рождение Вселенной) на столе в лаборатории.
- Вычисления: Поляритонные конденсаты рассматриваются как основа для оптических транзисторов, работающих со скоростью света и потребляющих минимум энергии.
Перестраиваемая архитектура
Особенность именно этого открытия — перестраиваемость.
- Управление узором: Изменяя параметры лазера, ученые могут в реальном времени менять геометрию «атомов» в этой материи.
- Симуляция: Это позволяет создавать симуляторы для тестирования новых материалов. Вместо того чтобы синтезировать новый металл, можно «нарисовать» его структуру из жидкого света и посмотреть, как по нему потечет ток.
Другие прорывы: материя между твердым и жидким
Пока одни физики работают со светом, другие исследуют классические металлы. В 2025 году ученые создали новую форму материи на стыке агрегатных состояний.
Металл в промежуточном состоянии
Исследователи из Ноттингемского университета обнаружили, что золото и платина могут находиться в «двойственном» состоянии.
- Эксперимент: Капли металла поместили на лист графена толщиной в один атом и нагрели.
- Результат: Часть атомов вела себя как жидкость (двигалась хаотично), а другая часть оставалась неподвижной, как в твердом теле.
- Применение: Это открытие позволяет управлять процессом кристаллизации. Создавая «зоны неподвижных атомов» в расплаве, можно предотвращать появление дефектов в микросхемах, делая их идеально ровными.
Глюболы и другие экзотические состояния
Помимо квазикристаллов и гибридных металлов, в 2025 году физика высоких энергий подтвердила существование глюболов.
- Суть: Это частицы, состоящие не из кварков, а исключительно из глюонов — «клея», который удерживает ядра атомов.
- Значение: Это чистая энергия, застывшая в форме материи, что подтверждает предсказания квантовой хромодинамики, сделанные десятилетия назад.
Заключение
Мы живем в эпоху, когда периодическая таблица Менделеева и три состояния вещества из учебника физики перестают быть догмой. Ученые создали новую форму материи, которая сочетает в себе легкость фотона и структуру кристалла. В ближайшем будущем жидкий свет может лечь в основу нейроморфных процессоров, имитирующих работу человеческого мозга, а управление промежуточными состояниями металлов позволит создать вечные подшипники и сверхпроводящие кабели, работающие при комнатной температуре. Граница между светом и веществом становится все более размытой, и именно в этой серой зоне рождается технология будущего.