Свет на разлив

Тренды
Москва, 31.05.2007
«Русский репортер» №2 (2)
Физики из Университета Питсбурга открыли новое состояние материи. Поляритонный бозе-конденсат образован «ненастоящими» частицами, зато из него можно сделать настоящий лазер

Школьникам обычно рассказывают про четыре состояния вещества: жидкость, твердое тело, газ, плазму. Помимо них известно еще около десятка состояний вроде «вырожденной материи» (из нее состоят нейтронные звезды) или сверхтекучей жидкости (сильно охлажденный гелий). Дэвид Сноук с коллегами дополнили этот список пунктом, мало похожим на все предыдущие. В их статье, опубликованной в журнале Science, описан свет, «законсервированный» в кристалле арсенида галлия. В отличие от жидкостей и газов новая материя довольно неустойчива: даже при –269° С она распадается за доли секунды.

Свет в кристалле существует в виде поляритонов — «ненастоящих» частиц, каждая из которых на самом деле состоит из электрона, фотона и «дырки», взаимодействующих друг с другом. При этом поляритону приписывают эффективные массу и радиус, что позволяет сравнивать его с очень большим и «рыхлым» атомом.

При сильном охлаждении поляритоны «теряют индивидуальность», превращаясь в так называе-мый бозе-конденсат. «Проще говоря, у частицы больше нет своей скорости или точного положения в пространстве,  она вместе с другими “размазана” по всему объему конденсата», — объясняет академик Владислав Тимофеев из Института физики твердого тела РАН.

Такое явление больше 80 лет назад предсказал Эйнштейн совместно с индийским физиком Бозе, однако «сконденсировать» обычное вещество удалось только в 1995 году. Шесть лет спустя физикам Виману, Корнеллу и Кеттерле присудили за это Нобелевскую премию. Рубидий, с которым они работали, нужно было охладить почти до абсолютного нуля (с отклонением в миллиардные доли градуса), так что каждый атом пришлось «замедлять» лазерным лучом. Новый эксперимент — с поляритонами — проходил при температуре кипения гелия, вполне достижимой в обычной лаборатории.

Бозе-конденсаты относят к «чисто квантовым» состояниям вещества — классическая механика не позволяет описать их даже качественно. Главное квантовое свойство конденсатов — согласованное поведение частиц (его объясняют тем, что всем частицам соответствует одна и та же волновая функция). Поэтому, когда свет покидает кристалл, он становится лазерным импульсом — потоком фотонов с одинаковой энергией и фазой. Поляритонный конденсат в качестве лазера оказался даже эффективнее традиционных излучателей: он превращает в свет заметно большую часть энергии.

Авторы работы особо отмечают сходство новой материи со сверхтекучим гелием и электронами в сверхпроводниках. Дело в том, что бозе-конденсат не теряет энергию за счет трения и потому беспрепятственно «течет» по кристаллу.

Найдут ли поляритонному конденсату применение, пока не ясно. «Очень вероятно, что найдут, — уверен академик Тимофеев. — В конце концов, первые опыты по сверхпроводимости тоже проводились в жидком гелии, но высокотемпературные сверхпроводники известны уже довольно давно».

Портрет конденсата

Бозе-конденсат нельзя сфотографировать в деталях – деталей (из-за «размазывания» частиц) быть просто не может. Физики довольствуются размытыми темными пятнами на светлом фоне. На трехмерном графике «почернение» соответствует высоте пика. При относительно высоких температурах пик напоминает сплющенную шапку и только после конденсации «стягивается» в иглу.

У партнеров

    «Русский репортер»
    №2 (2) 31 мая 2007
    Мэров атакуют
    Содержание:
    Власть и тюрьма

    Редакционная статья

    Фотография
    От редактора
    Вехи
    Реклама