Надтверде тіло має впорядковану структуру, як тверде тіло, але також може текти без тертя, як надплинна рідина, і раніше воно було отримано тільки в так званих "конденсатах Бозе-Ейнштейна", які утворюються, коли газ атомів охолоджується майже до абсолютного нуля.
"Це тільки початок розуміння надтвердого тіла", - заявили в резюме дослідження, опублікованого в журналі Nature, італійські фізики Антоніо Джанфате з CNR Nanotec і Давиде Нігро з Університету Павії.
У нашому житті ми, як правило, стикаємося з матерією в основному у трьох різних фазах — твердій, рідкій та газоподібній. (Хоча ви можете зіткнутися з плазмою у формі флуоресцентних ламп.)
"При температурах, близьких до абсолютного нуля, проявляється квантово-механічна природа атомів і з'являються екзотичні фази матерії", - пояснили дослідники.
Такі екзотичні фази включають надтверді тіла, які були вперше передбачені ще у 1960-х роках, але вперше продемонстровані лише у 2017 році дослідниками з Массачусетського технологічного інституту та Швейцарської вищої технічної школи Цюриха у Швейцарії.
Наука, яка залучена в цьому, неймовірно просунута.
"Ми вирішили дослідити, чи можна досягти цих умов у фотонній напівпровідниковій платформі (в якій фотони проводяться аналогічно електронам), щоб фотони поводилися як надтверде тіло", - кажуть дослідники.
Щоб створити своє фотонне надтверде тіло, дослідники направили лазерне світло на спеціальну напівпровідникову платформу, виготовлену з арсеніду алюмінію-галію, де фотони проводяться як електрони в металі.
Система дозволяє фотонам світла займати один із трьох квантових станів, всі з яких мають однакову енергію, але мають різні хвильові числа.
На початку експерименту кілька фотонів на платформі значно некогерентні, але коли вони досягають порогового значення, вони утворюють єдиний конденсат.
Джанфате і Нігро пояснюють це через порівняння із заняттям місць у залі для глядачів: «Уявіть, що ви знаходитесь в переповненому театрі, де всі місця зайняті, за винятком трьох у першому ряду: одне в центрі й два інших на протилежних кінцях ряду.
«Центральне місце має найкращий огляд, тому саме там люди хочуть сидіти, але там може сидіти лише одна людина».
«У квантовому театрі, де переміщаються бозонні частинки (частки з цілим спином), кожен може сидіти на центральному місці, утворюючи те, що називається конденсатом Бозе-Ейнштейна — надплинний стан, у якому більшість частинок одночасно займає квантовий стан з найменшою енергією».
Однак, коли загальна кількість фотонів ще більше збільшується, пари фотонів виштовхуються з «центрального місця» в сусідні стани (два інших крісла), щоб знизити енергію системи.
"Ці фотони утворюють супутні конденсати, які мають протилежні ненульові хвильові числа, але однакову енергію (вони ізоенергетичні)", - пояснили дослідники.
Таким чином, резюмують вчені, «виникає надтвердий стан, і відбувається просторова модуляція щільності фотонів у системі, характерна для надтвердого стану».
