• Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
03.07.2023
МИФИ
11 448

Обнаружены необычные свойства «жидкого света»

4.5

В проведенном недавно российско-итальянском исследовании были обнаружены новые, необычные свойства квазичастиц — поляритонов — при сверхнизких температурах. Открытие удалось сделать благодаря использованию в эксперименте волновода с необычной геометрией. Ведущую роль в совместном исследовании сыграли молодые ученые из Института ЛаПлаз НИЯУ МИФИ.

Обнаружены необычные свойства «жидкого света»
Обнаружены необычные свойства «жидкого света» / ©Getty images / Автор: Lampronia Auxilius

Предметом исследования ученых стали экситонные поляритоны. Так в физике называют квазичастицы, представляющие собой системы из взаимодействующих между собой фотонов (то есть квантов света) и экситонов. Экситоном же в свою очередь называют электронное возбуждение в диэлектрике или полупроводнике, мигрирующее по кристаллической решетке вещества. Система, «состоящая» из взаимного превращения экситонов в фотоны и обратно, образует экситонные поляритоны, которые также называют «частицами жидкого света». Экситонные поляритоны обладают полным набором свойств света: характеризуются фазой, поляризацией, длиной волны, могут быстро двигаться, но при этом они же обладают и свойствами обычных материальных частиц: взаимодействуют с кристаллической решеткой, отталкивают друг друга, ускоряются, замедляются, реагируют на внешние поля.

По классификации, принятой в физике, экситонные поляритоны относятся к классу частиц и квазичастиц, называемых бозонами, и соответственно, обладают всеми общими для бозонов свойствами. Одно из них заключается в том, что при низких температурах бозоны образуют бозе-конденсат – «сообщество» частиц, большинство которых характеризуется «коллективным поведением» – они находятся в одном и том же квантовом состоянии, при этом на минимальном уровне энергии. Большинство, но все-таки не все. Те частицы, которые при температуре порядка четыре кельвина (то есть минус 269 градусов по Цельсию), не идут «вслед за коллективом», и обладают другими, не такими как у большинства квантовыми состояниями, называются надконденсатными.

Исследовать надконденсатные частицы очень сложно – именно потому, что их мало, и их в буквальном смысле «загораживает» активность обычных частиц конденсата. В частности, если говорить об экситонных поляритонах, которые были предметом исследования в НИЯУ МИФИ, то их век недолог, такая квазичастица живет менее нескольких десятков триллионных долей секунды, после чего распадается, превращаясь просто в свет. Состоящий из поляритонов бозе-конденсат постоянно светится, но этот свет излучают распадающиеся частицы, находившиеся в наинизшем квантовом состоянии, то есть относящиеся к «большинству», – и в этом световом потоке невозможно обнаружить те немногочисленные фотоны, которые получились при распаде надконденсатных частиц. Свет «большинства» буквально затмевает информацию, которую можно было бы получить от «меньшинства».

Именно поэтому, исследование надконденсатных частиц представляет собой небанальную научную проблему. Решить ее ученые из НИЯУ МИФИ — аспирантка кафедры теоретической ядерной физики Анна Грудинина и доцент Нина Воронова — смогли, изменив среду, в котором существует бозе-конденсат, точнее – изменив геометрию волновода, в котором он образуется.

В волноводе из арсенида галлия с периодическими насечками свойства поляритонов меняются. В частности, если обычно трехмерный график, который описывает зависимость энергии элементарной частицы от ее импульса, имеет форму параболоида, то в волноводе с насечками он приобретает седлообразную форму, при этом энергия частиц в таком бозе-конденсате зависит от направления их движения – то есть, как говорят физики, такой бозе-конденсат обладает анизотропией. Но главное даже не это, а то, что в волноводе с насечками «большинство» частиц, составляющих бозе-конденсат неожиданно приобретает «бессмертие», они перестают распадаться, а значит перестают светиться. Таким образом, их свет не загораживает свечение надконденсатных частиц, и его можно измерять и изучать.

Свойства надконденсатных частиц в данном эксперименте оказались тоже очень необычными, графики, которые описывают связь энергии и импульса частиц в таких системах до сих пор в подобных исследованиях не встречались. Такой график уже обладает формой не параболоида и не седла, а сложной структуры с «желобками», в двумерных сечениях этого графика обнаруживаются плоские по энергии зоны и другие необычные особенности, такие как линеаризация спектра.

«Полученные результаты могут быть использованы в качестве инструмента для придания новых фундаментальных свойств самим бозе-конденсатам, – таким как, например, анизотропная сверхтекучесть, – и в очередной раз подчеркивают невообразимое богатство экситон-поляритонных систем», – говорит инициатор исследования, кандидат физико-математических наук Нина Воронова.

Первоначально, свойства надкондендсатных поляритонов были теоретически рассчитаны в НИЯУ МИФИ (расчеты проводила аспирант Анна Грудинина), а затем теоретические предсказания были проверены экспериментально в итальянской лаборатории Advanced Photonics Института нанотехнологий CNR-NANOTEC. Экспериментальные наблюдения практически совпали с предсказаниями теории.

Результаты проведенного исследования важны не только сами по себе, но имеют и методическое значение – они показали, что, работая с геометрией волноводов, можно варьировать условия эксперимента и обнаруживать новые свойства элементарных частиц. Таким образом, исследование является вкладом в инженерию будущих физических экспериментов. Результаты работы ученых опубликованы в журнале Nature Communications. Проект поддержан программой «Приоритет-2030» в рамках стратегического проекта «Релятивистская квантовая инженерия». 

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Национальный исследовательский ядерный университет МИФИ - ведущий российский вуз, занимающийся подготовкой высококвалифицированных инженерных кадров для атомной отрасли, науки, IT-сферы, а также других высокотехнологичных секторов экономики России. Расположен в Москве, имеет 16 филиалов в разных регионах России, в Узбекистане и Казахстане
Подписывайтесь на нас в Telegram, Яндекс.Новостях и VK
Позавчера, 18:00
Алиса Гаджиева

Пятьсот лет подряд жители Чичен-Ицы сбрасывали в подземный резервуар детей и подростков. Анализ их ДНК изменил представления ученых о жертвоприношениях у майя и тольтеков.

11 июня
Юлия Трепалина

Судя по сообщениям СМИ и полицейским сводкам, секс-шантаж, когда человеку угрожают публикацией его интимных фотографий или видео, становится частым явлением. Тем не менее в научной литературе мало данных о его распространенности и факторах риска. В новом исследовании ученые оценили масштабы проблемы в 10 странах и выяснили, какие группы населения сильнее подвержены этой форме сексуального насилия.

Позавчера, 19:39
Мария Азарова

Биотехнологам впервые удалось получить человеческие антитела, которые нейтрализовали яд пауков из рода черных вдов. Испытания продолжаются, однако ученые уверены, что их открытие обеспечит неограниченные поставки лекарства постоянного качества и эффективности. К тому же его можно будет производить без привлечения животных.

10 июня
Александр Березин

Исследователи из США выяснили, что примерно два миллиона лет назад Солнечная система захватила хвост облака холодного межзвездного газа. В результате гелиосфера сильно сжалась, дав галактическим лучам свободно облучать все планеты системы. Это должно было вызвать и серьезные проблемы с климатом.

11 июня
Андрей

Китайские палеонтологи обнаружили образцы самых больших моллюсков, живших после Великого вымирания. Их гигантский размер говорит о том, что брюхоногие интенсивнее и быстрее восстановились в росте после массовой гибели. До этого подобные свидетельства находили в ладинском ярусе, а сейчас в анизийском.

8 июня
Михаил Орлов

Переселение позвоночных из воды в наземно-воздушную среду жизни стало поворотным моментом в истории биосферы. Однако этот эволюционный скачок имел и серьезные побочные эффекты: он привел к потере способности восстанавливать потерянные части тела рептилиями, птицами и млекопитающими. В новой статье биологи рассмотрели генетические и эволюционные аспекты освоения суши и выяснили, что резкое ослабление регенерации стало своеобразной «расплатой» за адаптации животных к другой среде.

15 мая
НИУ ВШЭ

Международный коллектив исследователей при участии ученых из Института когнитивных нейронаук НИУ ВШЭ изучил, как выбор иностранного языка влияет на когнитивные способности человека. Оказалось, что языки, непохожие на родной, стимулируют когнитивную функцию на начальном этапе их изучения, а близкие к родному имеют отложенный эффект и помогают мозгу эффективнее работать при более высоком уровне владения иностранным языком.

24 мая
Игорь Байдов

С помощью космических и наземных телескопов международная команда астрономов открыла похожий на нашу планету мир в так называемой зоне обитаемости, позволяющей воде существовать на поверхности тела в жидком состоянии. По космическим меркам экзопланета находится достаточно близко к Земле и, вероятно, представляет собой скалистый мир с благоприятным для жизни климатом. Подобные миры астрономы открывают крайне редко.

27 мая
Андрей

Европейские гляциологи, используя первые снимки Восточной Антарктиды 1937 года, а также фотографии середины XX века и современные спутниковые данные, отследили, как менялись ледники в этом регионе на протяжении 85 лет.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Подтвердить?
Причина отклонения
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Жалоба отправлена

Мы обязательно проверим комментарий и
при необходимости примем меры.

Спасибо
Аккаунт заблокирован!

Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.

Понятно
Что-то пошло не так!

Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.

Понятно
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: