• Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
03.07.2023
МИФИ
11 497

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
Вчера, 11:17
Юлия Тарасова

Результаты эксперимента в США в будущем могут позволить добиться разрешения на использование отработанной конопли в качестве кормовой добавки в животноводстве.

Вчера, 09:51
КБГУ

Кавказ — один из мировых лидеров по числу долгожителей. Ученые КБГУ задались целью выяснить, что позволяет людям в Кабардино-Балкарии жить так долго и сохранять активность. Работа исследователей открывает новые перспективы в понимании процессов старения и разработке стратегий для продления жизни.

Вчера, 19:44
Игорь Байдов

Гарум — знаменитый рыбный соус, который был неотъемлемой частью кухни Древнего Рима и других средиземноморских культур. Он стоял на столах и в хижинах бедняков, и в пиршественных залах патрициев. Философ Сенека с отвращением называл его «‎драгоценной сукровицей протухших рыб», но миллионы римлян обожали эту приправу. Что на самом деле входило в ее состав? Ответ на вопрос нашла международная команда ученых с помощью чанов, которые использовались для приготовления соуса.

28 июня, 18:58
Игорь Байдов

За последние 30 лет размер трески, обитающей в Балтийском море, значительно уменьшился. Если раньше рыбаки вылавливали из воды особей размером с маленького ребенка, то теперь добытая рыба легко помещается в ладонях. Авторы нового исследования винят в этом человека, который заставил один из видов эволюционировать в «карликов».

Вчера, 11:17
Юлия Тарасова

Результаты эксперимента в США в будущем могут позволить добиться разрешения на использование отработанной конопли в качестве кормовой добавки в животноводстве.

27 июня, 09:47
Авдей Палиш

Снимки с фотоловушек давно стали культурным явлением. Особенно забавными выглядят медведи. Мы с удовольствием смотрим на зверей, попавших в объектив камер в национальных парках: тигр украл фотоловушку, муравьед проехал верхом на муравьеде и так далее. Но не все животные настолько обаятельные. Ученые из США решили развить эмпатию к гремучим змеям, которых многие боятся. Для этого специалисты запустили трансляцию из «мегалогова», где рептилии отдыхают и рожают потомство.

17 июня, 16:49
Адель Романова

Радиотелескопы уловили очень короткий сигнал, и по его характеристикам стало ясно, что он не может быть естественного происхождения. Астрономы пришли к выводу, что источник находился в околоземном пространстве — там, где уже более полувека летает «мертвый» аппарат NASA.

25 июня, 15:19
ФизТех

Группа российских ученых из Института прикладной математики имени М. В. Келдыша РАН и МФТИ провела детальное численное исследование источников шума, генерируемых крылом прототипа сверхзвукового бизнес-джета в режиме посадки. Эта работа, сочетающая передовые методы вычислительной гидродинамики и аэроакустики, впервые позволила с высокой точностью локализовать и охарактеризовать основные зоны шумообразования вблизи полноразмерной геометрии крыла модели прототипа сверхзвукового пассажирского самолета в посадочной конфигурации.

5 июня, 13:20
Александр Березин

Вид антилоп, с ледникового периода привыкший к массовым миграциям, пытается вернуться в свой исторический ареал, когда-то достигавший Днепра. Однако их нетипичные для травоядных привычки вызывают сильнейшее отторжение у сельских жителей, предлагающих массово уничтожать их с воздуха. С экологической точки зрения возвращение этих животных весьма желательно, но как примирить их с фермерами — неясно.

[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
Закрыть
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