На стыке двух решёток, где отрицательные электроны из одной встречаются с положительными «дырками» из другой, формируется нейтральный и стабильный экситонный кристалл — принципиально новая форма материи.
Научный мир облетела сенсационная новость: исследователям впервые удалось создать и изучить экзотический материал, целиком состоящий из бозонов. Эти уникальные субатомные частицы способны, в отличие от всех известных фермионов, занимать одно и то же квантовое состояние одновременно. Данное открытие не просто расширяет границы наших знаний о материи — оно способно перевернуть представления о квантовой физике и открыть путь к прорывным технологиям будущего, таким как сверхмощные квантовые компьютеры и принципиально новые лазеры.
Поиск новых материалов с необычными свойствами — одна из ключевых задач современной науки. Учёные стремятся найти вещества, которые помогут решить глобальные проблемы: от создания сверхэффективных систем хранения энергии до разработки вычислительных устройств невероятной мощности. Особый интерес в этом контексте представляют материалы, основанные на поведении субатомных частиц, таких как бозоны. Их уникальные квантовые особенности обещают подарить нам технологии, которые сегодня кажутся фантастикой.
Прорыв совершила международная команда из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре (США) и Национального института материаловедения (Япония). Им удалось не просто наблюдать за бозонами, а целенаправленно сконструировать из них новый материал. Это достижение стало возможным благодаря глубокому пониманию квантовых законов, управляющих поведением частиц на микроуровне. Подробности революционного исследования были обнародованы на страницах авторитетного журнала Science.
Что такое бозоны и в чём их уникальность?
Чтобы понять значимость открытия, нужно разобраться в основах. Всё многообразие субатомных частиц делится на два фундаментальных класса: фермионы и бозоны. Ключевое различие между ними — значение спина, внутреннего квантового момента. Фермионы (например, электроны) обладают полуцелым спином и подчиняются строгому принципу Паули: две идентичные частицы не могут находиться в одном квантовом состоянии. Именно это правило формирует структуру атомов и всего привычного нам мира.
Бозоны же (к ним относятся, например, фотоны) имеют целочисленный спин. Для них принцип Паули не действует. Напротив, бозоны стремятся коллективно перейти в одно и то же низшее энергетическое состояние. Эта их удивительная способность «сливаться» в единое целое лежит в основе таких явлений, как сверхпроводимость и сверхтекучесть.
«Основные усилия физиков традиционно были сосредоточены на изучении коллективного поведения фермионов, — поясняет ведущий автор работы Ченхао Джин. — Суть же нашего прорыва в том, что мы фактически создали и исследовали новый материал, целиком состоящий из взаимодействующих бозонов».
Как был создан бозонный кристалл?
Группе под руководством профессора Дэвида Уэлда удалось не только создать материал из бозонов, но и довести его до состояния конденсата Бозе-Эйнштейна. Это особая фаза материи, возникающая при охлаждении бозонного газа до температур, бесконечно близких к абсолютному нулю. В таком состоянии частицы теряют свою индивидуальность и начинают вести себя как единый квантовый объект, что делает их свойства макроскопически наблюдаемыми.
Обратите внимание: Пилоты будут контролировать до трех самолетов одновременно … только лишь с помощью мыслей.
Конкретно учёные создали высокоупорядоченный кристалл из экситонов — составных квазичастиц, которые и выступают в роли бозонов. Технология изготовления была изящной и сложной. Исследователи взяли два ультратонких двумерных материала: слой диселенида вольфрама (WSe₂) и слой дисульфида вольфрама (WS₂). Эти слои были наложены друг на друга не идеально, а с небольшим углом смещения. В результате возник так называемый муаровый узор — наложенная суперрешётка с периодом, значительно превышающим период исходных кристаллов.
Наглядная демонстрация возникновения муарового узора при наложении двух периодических структур.
Используя сверхбыструю спектроскопию накачки-зонда (метод, при котором один лазерный импульс возбуждает систему, а второй — считывает её состояние), физики смогли генерировать и детально изучать экситоны в этой искусственной решётке. Важно понимать, что экситон — это связанное состояние двух фермионов: отрицательного электрона из одного слоя и положительной «дырки» (вакансии, оставленной электроном) из другого. Вместе эта пара образует квазичастицу с целым спином, то есть становится бозоном.
Схематическое изображение экспериментальной установки. Слой диселенида вольфрама (WSe₂) и слой дисульфида вольфрама (WS₂) образуют муаровую сверхрешётку. Фиолетовые сферы символизируют «дырки», а синие — электроны, которые вместе образуют экситоны.
Значение открытия и перспективы
Создание этого экзотического кристалла доказало, что комбинация муаровых гетероструктур и передовой оптической спектроскопии является мощнейшим инструментом для физики конденсированного состояния. «Мы создали эту платформу именно потому, что у нас не было эффективного способа изучать сильно взаимодействующие бозоны в реальных материалах», — объясняет соавтор исследования Рачен Сюн.
По словам Ченхао Дзиня, данный метод открывает не просто окно, а целые новые горизонты для исследований. С его помощью можно не только глубже изучить уже известные бозонные системы, но и открывать совершенно новые классы материалов с невиданными свойствами.
Фундаментальные последствия этого открытия трудно переоценить. Новый материал может стать ключом к разгадке давних тайн квантового мира, таких как механизмы высокотемпературной сверхпроводимости или природа сверхтекучести. С практической точки зрения, если учёные научатся точно контролировать и манипулировать состояниями таких бозонных материалов, это может привести к революции в квантовых технологиях. Потенциальные применения варьируются от кубитов для квантовых процессоров, защищённых от декогеренции, до создания лазеров с абсолютно новыми характеристиками. Однако авторы подчёркивают, что путь от открытия до практических приложений долог, и для его реализации потребуются годы интенсивных исследований.
Больше интересных статей здесь: Новости науки и техники.