Международная группа физиков впервые создала систему, ведущую себя как сверхтекучая жидкость при комнатной температуре — без нужды для охлаждения до температур жидкого гелия. В ее основе конденсирующиеся экситонные поляритоны в флуоресцентном красителе, которые в некоторых условиях способны вести себя как поток, движущийся по законам гидродинамики. Ученые показали, что этот поток способен обтекать препятствия без рассеяния, а также образовывать пары вихрей и антивихрей, подобно сверхтекучему гелию. Исследование опубликовано в журнале Nature Physics (препринт).
Сверхтекучесть — необычное явление, имеющее квантовую природу. Впервые она наблюдалась в жидком гелии: при охлаждении ниже 2,17 вещество полностью теряло вязкость. В сверхтекучем состоянии гелий беспрепятственно вытекает сквозь малейшие трещины и даже способен подниматься по стенкам сосуда и переливаться через край под действием капиллярных сил. Это явление, наряду со сверхпроводимостью, родственно другому физическому процессу — бозе-эйнштейновской конденсации. В такой конденсации бозоны — они могут быть представлены атомами гелия, куперовскими парами или другими частицами — переходят в состояние с минимальной энергией и становятся неотличимыми друг от друга. В результате все они начинают вести себя как единая система.
Роль конденсируемых частиц в сверхтекучести могут играть не только атомы гелия, но и, например, водород или квазичастицы-бозоны. Квазичастицами называют частицы, которые вводят физики чтобы упростить описание многочастичных процессов в твердом теле. Например, электрон в твердом теле удобно заменить на электрон-квазичастицу, который ведет себя так, словно его масса увеличилась или, наоборот, стала нулевой. Подробнее о квазичастицах можно прочесть в нашем материале квантовой азбуки: «Зоопарк квазичастиц» — в нем эти необычные объекты поясняются на котах.
В новой работе физики конденсировали экситонные поляритоны. Эти квазичастицы возникают при взаимодействии экситонов — квазичастиц, состоящих из электрона и дырки (квазичастиц, обозначающих отсутствие электрона) — и фотонов (настоящих). Поляритоны способны взаимодействовать между собой и, образовывать потоки, подчиняющиеся законам гидродинамики. В зависимости от того, в каком материале возникают поляритоны, их свойства отличаются. Так, в органических полупроводниках взаимодействие между отдельными поляритонами довольно слабое. Но такие квазичастицы гораздо более устойчивы к распаду экситона на электрон и дырку под действием тепловых эффектов. Это делает возможным существование потока конденсата из поляритонов при комнатной температуре. Ранее было показано, что при очень низких температурах конденсат поляритонов может вести себя как сверхтекучая жидкость.
Для создания экситонных поляритонов используется следующая схема. Полупроводник, в котором возможно рождение экситонов, помещают в оптический резонатор и облучают светом. В новой работе роль полупроводника выполнял органический флуоресцентный краситель на базе флуорена. Тонкий слой этого красителя помещали между двумя зеркалами с высокой отражательной способностью — они создавали оптический резонатор. Затем в резонатор под углом направляли луч лазера, который многократно отражался от зеркал и взаимодействовал с экситонами в красителе.
Как отмечают авторы, скорость, с которой двигался поток поляритонов, зависит от угла, под которым луч попадал в резонатор. От интенсивности луча зависела плотность поляритонов в потоке. Если плотность была небольшой, или, наоборот, большой была скорость движения квазичастиц, то система находилась в режиме сверхзвукового течения — при огибании препятствий в потоке возникала рябь. Но при большей плотности система переходила в сверхтекучее состояние и рябь исчезала. В момент перехода от сверхтекучего состояния к сверхзвуковому потоку в системе возникали пары из вихрей и антивихрей, характерные для переходных состояний тонких пленок сверхтекучего гелия. В отличие от гелия, в органическом красителе все эти явления происходили при комнатной температуре. Этому способствует небольшая эффективная масса поляритонов — в миллиард раз меньше, чем у атома гелия.
Комнатнотемпературная сверхтекучесть может стать основой для нового класса устройств, в которых роль электрического тока играет ток поляритонов. Такие устройства могут быть частью фотонных интегральных схем. Благодаря конденсации и сверхтекучести они обеспечат передачу сигналов без рассеяния. Поляритонная сверхтекучесть, по словам независимых экспертов, несколько отличается от сверхтекучести гелия — в первую очередь, это неравновесный процесс. Время жизни поляритонов составляет сотни фемтосекунд.
Несколько месяцев назад исследователи из Высшей школы Цюриха и MIT впервые рассказали о наблюдениях сверхтекучести в твердом теле. В таких кристаллах дефекты могут перемещаться без трения. А в 2015 году японский физик-теоретик Хироки Сайто объяснил, как можно плавать в сверхтекучих жидкостях.
Владимир Королёв