За първи път лазерна светлина е превърната в свръхфлуидно твърдо тяло

Представете си вид материя, при която частиците са подредени в чиста кристална решетка, но могат да текат без триене. Това странно състояние се нарича свръхфлуидно твърдо вещество, което изисква частиците да споделят обща фаза и да се самоорганизират, за да минимизират своята енергия.

Въпреки че концепцията за свръхфлуидно твърдо тяло съществува повече от 50 години, експериментите едва наскоро предоставят солидно доказателство. Изследователи са използвали основно ултрастудени атомни кондензати на Бозе-Айнщайн, комбинирани с електромагнитни полета, за да постигнат това.

Международна група физици е разработила начин да накара лазерната светлина да се превърне в свръхфлуидно твърдо тяло.

"Невероятно, но направихме светлината твърда", заявява Димитриос Трипогеоргос (Dimitrios Trypogeorgos) от Националния изследователски съвет на Италия (CNR).

В научните статии терминът "свръхфлуидно твърдо тяло" (на англ. Supersolid - буквално: свръхтвърд), не описва твърдо тяло, а по-скоро кристал, притежаващ свръхфлуидност. А самото явление може да се нарече свръхсолидност.

Странното за новото състояние на материята е, че частиците са подредени в строга, солидна структура, но може да текат без вискозитет или "лепкавост" - което е ключова характеристика на свръхфлуидите

Това е уникална фаза на материята, която съчетава свойствата на свръхфлуидите да се движат без триене с подредената структура на кристалите. Преди това това състояние е било постигано само с Бозе-айнщайнови кондензати на ултрастудени атоми. Наблюдението на свръхсолидност във фотоните предоставя нов аспект на това загадъчно състояние.

Свръхфлуидните твърди тела са обекти, които съществуват само в квантовия свят и досега всички са били направени с помощта на атоми. Предишни изследвания показват, че те имат нулев вискозитет и се образуват в кристалоподобни структури, подобни на начина, по който атомите са подредени в кристали.

При температури близо до абсолютната нула атомите са в най-ниското си енергийно ниво. При тези температури квантово-механичните ефекти стават забележими. В резултат на вероятностното им позициониране атомите ще са като размити топки. Това състояние се нарича Бозе-Айнщайнов кондензат и е получено преди повече от 20 години в Обединения институт за лабораторна астрофизика (JILA), Боулдър, Колорадо през 1995 година. Бозе-Айнщайновият кондензат е механизмът, по който възникват "екстремни" свойства на свръхфлуидност (движение на течност без триене) при 4Hе (изотопа хелий-4) и свръхпроводимост (ел. ток без съпротивление). По идея на a-level physics tutor

Поради тяхната природа, свръхфлуидните твърди вещества се създават в изключително студена среда, където могат да се наблюдават квантови ефекти.

Идеята идва от по-ранна работа на учения от CNR Даниел Санвито (Danielle Sanvitto), който демонстрира преди повече от десетилетие, че светлината може да действа като течност. По-късно тази идея е разширена, за да се създаде квантово свръхтвърдо тяло.

За да създадат своето свръхфлуидно твърдо вещество, изследователите са изстреляли лазер върху парче галиев арсенид, оформено със специални набраздявания. Когато светлината удари тези набраздявания, взаимодействията между нея и материала водят до образуването на поляритони - вид хибридна частица (квазичастица) - които са ограничени от резките по предварително проектиран начин. Това принуждава поляритоните да се оформят в свръхфлуидно твърдо тяло.

Система в реципрочно и координатно пространство. Кредит: Nature (2025). DOI: 10.1038/s41586-025-08616-9

След това изследователският екип си поставя задачата да го тества, за да се увери, че наистина е свръхфлуидно твърдо вещество - задача, усложнена от факта, че свръхфлуидно твърдо вещество, направено от светлина, никога не е било създавано преди. Въпреки трудностите, изследователите успяват да покажат, че тяхното свръхфлуидно твърдо вещество е едновременно твърдо и течно и че няма вискозитет.

Екипът планира да продължи работата си с направения от светлина свръхфлуидно твърд материал, за да научи повече за неговата структура. Те отбелязват, че свръхфлуидните твърди тела, направени от светлина, може да са по-лесни за работа от тези, направени с атоми, което може да ни помогне да разберем по-добре природата на свръхфлуидните твърди вещества като цяло.

"Демонстрирахме доказателства за неравновесно свръхфлуидно твърдо състояние на материята, възникващо в задвижвана дисипативна поляритонна система, която е нова и гъвкава платформа за изследване на физиката на свръхсолидността в системите с кондензирана материя.

"Подчертаваме, че това е нов механизъм за създаване на свръхфлуидно твърдо вещество, особено на задвижвания дисипативен контекст на неравновесни поляритонни системи, а не просто фотонен аналог на механизми, демонстрирани в атомни платформи", отбелязват авторите.

Справка:

Dimitrios Trypogeorgos et al, Emerging supersolidity in photonic-crystal polariton condensates, Nature (2025). DOI: 10.1038/s41586-025-08616-9

A supersolid made using photons, Nature (2025). DOI: 10.1038/d41586-025-00637-8

Източници:

Laser light made into a supersolid for the first time, Bob Yirka, Phys.org

Researchers turned light into supersolid, for the first time, ТechЕxplorist

Още по темата

20/08/2021

Физика

2D „свръхфлуидно твърдо тяло“, което тече без триене, е създадено за първи път

25/04/2019

Физика

Свръхфлуидно твърдо тяло. Получени са доказателства за това най-ново екзотично състояние на материята

06/03/2017

Физика

Нова "невъзможна" форма на материята - свръхфлуидно твърдо тяло

13/03/2016

Физика

Кондензацията на Бозе-Айнщайн или петото състояние на материята