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.

Результаты работы ученых опубликованы в журнале Nature Communications. Проект поддержан программой «Приоритет-2030» в рамках стратегического проекта «Релятивистская квантовая инженерия».

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.