Квантовые кентавры
Объясняем на котах и автомобилях, что такое конденсат Бозе — Эйнштейна и экситон-поляритонный лазер
Физик Алексей Кавокин стал первым российским лауреатом международной премии ISCS Awards, которая ежегодно присуждается за лучшие разработки в области квантовых технологий. Кавокин, профессор Саутгемптонского университета и руководитель научной группы «Квантовая поляритоника» Российского квантового центра, был награжден за теоретическое предсказание бозе-эйнштейновской конденсации при комнатной температуре — эффекта, который позволил создать поляритонный лазер. Ученый рассказал N + 1 о своей работе и проиллюстрировал этот рассказ котами.
Что такое бозе-эйнштейновский конденсат и как там все конденсируется?
Представьте себе поток машин на МКАДе. Кто-то разгоняется, кто-то перестраивается, кто-то тормозит. В результате вся масса движется медленно, возникают пробки. Теперь вообразим чудо-МКАД, на котором все автомобили движутся с одинаковой скоростью. Никто не догоняет, никто не отстает. Поток движется, как единое целое. Это и есть конденсат Бозе — Эйнштейна, только вместо автомобилей — квантовые частицы, бозоны. Все они находятся в одном квантовом состоянии — то есть движутся с одинаковой скоростью, ведут себя, как единая огромная частица.
Конденсат Бозе — Эйнштейна это ярчайшее следствие из того факта, что все элементарные частицы в мире делятся на два класса: фермионы и бозоны. Фермионы не уживаются в одном квантовом состоянии, они — «индивидуалисты». А вот бозоны — «коллективисты». При достаточно низких температурах они образуют Бозе-конденсат: оказываются в одном квантовом состоянии и ведут себя одинаково, как одна частица. Его существование предсказал в 1924 году Альберт Эйнштейн.
А зачем он может быть нужен?
Например, для того, чтобы сделать квантовый компьютер. Квантовый компьютер использует квантовые биты информации — кубиты. В режиме Бозе-конденсации наш чудо-МКАД представляет собой суперпозицию двух потоков машин, движущихся по и против часовой стрелки. Это и есть кубит. Чтобы сделать квантовый компьютер, надо объединить несколько тысяч колец МКАДа — каждое размером в сотую долю миллиметра.
В чем суть предсказанного вами эффекта — бозе-эйнштейновской конденсации при комнатной температуре, какой за ним стоит механизм?
В конце XX века конденсацию удалось пронаблюдать в атомных газах лития и рубидия при температурах около одной стомиллионной доли кельвина. В тот самый год, когда за это открытие вручили Нобелевскую премию, я и мои коллеги пришли к выводу, что это явление можно было бы наблюдать и при комнатной температуре, но в другой системе — в газе свето-материальных квазичастиц, экситонных поляритонов. Наша догадка была основана на теории Бозе и Эйнштейна, предсказавшей, что критическая температура конденсации должна быть обратна пропорциональна массе бозона. Вот мы и предложили взять бозоны полегче (в миллиард раз) и получить критическую температуру повыше.
А что такое экситонный поляритон?
Это кентавр: тело лошади, торс человека. В качестве лошади выступает квант света — фотон. Он быстрый и легкий. Человеческая половина — это экситон, материальная квазичастица, похожая на атом водорода, только в 100 раз больше. За счет своей «человеческой», материальной компоненты, поляритоны взаимодействуют друг с другом: «разговаривают», толкают и тянут друг друга. Получается свето-жидкость: свето-материальные частицы образуют поток, похожий на поток воды. Им можно управлять, загонять его в каналы, воронки.
Как это проверить/проверили экспериментально?
Наша теоретическая работа (в ней моими соавторами были французские ученые Гийом Мальпеш и Бернар Жиль) увидела свет в 2003 году. Четыре года спустя, в соавторстве с английской группой Джереми Баумберга мы опубликовали результаты первого экспериментального исследования конденсата Бозе — Эйнштейна при комнатной температуре. Чтобы поставить этот эксперимент, нам пришлось вырастить многослойную кристаллическую структуру на основе полупроводниковых материалов: нитрида галлия и нитрида галлия с алюминием. Эксперимент был поставлен в лаборатории фотоники университета Саутгемптона. Освещая нашу структуру лазерным лучом, мы заметили, что она сама начала испускать лазерный свет, но на другой длине волны. Этот свет и оказался излучением нового макроскопического квантового объекта: Бозе-конденсата экситонных поляритонов.
Что такое поляритонный лазер?
Поляритонный лазер — это прибор, внутри которого находится Бозе-конденсат свето-жидкости (экситонных поляритонов), а наружу выходит когерентный свет определенной длины волны, то есть лазерный свет. Поляритонный лазер пока не покинул лабораторные стены. В Москве его можно увидеть в лаборатории Павлоса Лагудакиса в Сколтехе, в Петербурге — в моей лаборатории в СПбГУ. Еще в России — в Черноголовке и в ФТИ имени Иоффе.
Зачем этот лазер нужен?
Об одном из возможных применений поляритонного лазера я уже рассказал: на основе таких лазерных структур мы рассчитываем создать полупроводниковую платформу для квантовых вычислений, то есть квантовый компьютер. Другая важная область применения: свето-индуцированная сверхпроводимость. В 2010 году мы предсказали резкое повышение критической температуры сверхпроводящего перехода в присутствии свето-жидкостного Бозе-конденсата. Осталось подтвердить это предсказание экспериментально и создать сверхпроводник, не теряющий своих свойств при комнатной температуре. Если бы удалось это сделать, я считал бы свою научную карьеру полностью успешной.
Беседовал Андрей Коняев
Для этого потребуется собрать вместе несколько сферических слоев с магнитооптическими свойствами
Физики из ИТМО при участии нобелевского лауреата Франка Вильчека численно нашли параметры метаматериала, чей магнитооптический отклик повторяет отклик гипотетических аксионов, если бы они существовали в реальности. Работа ученых открывает дорогу к экспериментам с эмерджентной аксионной электродинамикой. Исследование опубликовано в Physical Review B. Термин «аксион» для новых гипотетических частиц ввел впервые нобелевский лауреат Франк Вильчек (Frank Wilczek), назвав их так в честь стирального порошка — он предполагал, что эти частицы помогут «очистить» квантовую хромодинамику от трудностей, связанных с нарушением CP-симметрии. Сегодня аксионы остаются одними их главных кандидатов на темную материю, и их активно ищут как по астрофизическим данным, так и в наземных экспериментах. В физике, однако, существует и другой подход к исследованию частиц или явлений, которые были предсказаны, но не обнаружены приборами. Он основан на создании особым образом спроектированных сред, элементарные возбуждения в которых (квазичастицы) ведут себя подобно предполагаемым частицам. Ярчайшим примером этого принципа можно назвать исследование майорановских частиц, которые физики активно рассматривают в качестве кандидатов для элементной базы квантовых компьютеров. Аксионоподобные возбуждения (или эмерджентные аксионы) тоже были обнаружены — их нашли в магнитных твердых телах, однако там амплитуда их сигнала довольно небольшая. Однако, в метаматериалах эта ситуация может измениться — это показали Максим Горлач (Maxim A. Gorlach) и его коллеги из ИТМО при участии самого Франка Вильчека. Их работа также посвящена поиску аксионоподобных возбуждений. Ученые обратили внимание на то, что, существуй аксионы на самом деле, они проявят себя в виде дополнительных членов в уравнении Максвелла. С другой стороны, точно такие же члены можно воспроизвести с помощью правильного дизайна среды. Авторы численно показали это на примере магнитного диполя, окруженного аксионной средой. Им удалось подобрать метаматериал, состоящий из сферических слоев магнитооптического вещества и найти параметры, при которых возбуждение поля при таких условиях эквивалентно полям с реальными аксионными эффектами. Важной особенностью проведенных расчетов стало то, что предсказанная учеными константа взаимодействия с эмерджентными аксионами оказалась не только достаточно велика, но и поддавалась управлению за счет добавления или убавления слоев — в предыдущих исследованиях такой возможности не было. В работе физиков структура продемонстрировала аксионный отклик в микроволновой и терагерцовых областях. По мнению ученых, их моделирование открывает дорогу к созданию компактных установок для проверки свойств аксионной электродинамики. Ранее мы рассказывали, что в немецком исследовательском центре DESY стартовал эксперимент ALPS II, призванный обнаружить превращение фотонов в аксионы.
