նախընտրելի դարձնել
Գիտնականների միջազգային թիմը ցուցադրել է անսովոր քվանտային վիճակ, որում լույսն ու նյութը միաժամանակ դրսևորում են պինդ մարմնի և գերհեղուկի հատկություններ։ Փորձը հատկապես ուշագրավ է նրանով, որ հետազոտողներին հաջողվել է ստանալ նման համակարգ սենյակային ջերմաստիճանում՝ առանց հիմնական նմանատիպ փորձերի համար պահանջվող՝ մինչև բացարձակ զրոյին մոտեցող սառեցման։ Աշխատանքի արդյունքները հրապարակվել են Science Advances ամսագրում։
Խոսքը գերկոշտ վիճակի (supersolid) մասին է։ Այն համատեղում է երկու հատկություն, որոնք սովորական պատկերացմամբ անհամատեղելի են՝ բյուրեղի կարգավորված կառուցվածքը և առանց մածուցիկության հոսելու ունակությունը, որը բնորոշ է գերհեղուկին։
Փորձին մասնակցել են Վարշավայի համալսարանի ֆիզիկայի ֆակուլտետի, Լեհաստանի Ռազմատեխնիկական համալսարանի, IBM Research Zurich-ի և Ֆրանսիական գիտական հետազոտությունների ազգային կենտրոնի (CNRS) հետազոտողները։
Ուլտրասառը ատոմների փոխարեն նրանք օգտագործել են հիբրիդային մասնիկներ, որոնք համատեղում են լույսի և նյութի հատկությունները։
Ինչպես կարող է նյութը միաժամանակ լինել պինդ և հոսուն
Սովորական պայմաններում պինդ մարմինները և հեղուկներն իրենց պահում են բոլորովին տարբեր կերպ։ Բյուրեղներում մասնիկները տեղակայված են կարգավորված կրկնվող կառուցվածքում, մինչդեռ հեղուկն ունակ է ազատորեն հոսելու և փոխելու իր ձևը։
Քվանտային ֆիզիկան թույլ է տալիս ավելի անսովոր վիճակներ։ Դրանցից մեկը գերհեղուկությունն է, որի դեպքում հեղուկը կորցնում է մածուցիկությունը, այսինքն՝ շարժման նկատմամբ ներքին դիմադրությունը։ Նման միջավայրը կարող է անցնել չափազանց նեղ անցուղիներով՝ գործնականում առանց շփման։ Սակայն որոշակի արագության հասնելիս դրանում սկսում են առաջանալ քվանտային հողմձևեր՝ մանրադիտակային կառույցներ, որոնք հիշեցնում են ջրհորդաններ։
Դեռևս 1960-ական թվականներին ֆիզիկոսները ենթադրել էին, որ գերհեղուկ միջավայրը կարող է ձեռք բերել նաև մեկ այլ անսովոր հատկություն՝ բյուրեղային կարգ։ Նման համադրությունը ստացել է գերկոշտություն անվանումը։
Երկար ժամանակ գերկոշտ վիճակը մնում էր տեսական հայեցակարգ։ Առաջին փորձարարական հաստատումները հայտնվեցին 2017 թվականին, երբ հետազոտողներն այն նկատեցին ուլտրասառը ատոմային Բոզե-Այնշտայնի կոնդենսատներում։ Նման համակարգերում մասնիկներն անցնում են հավաքական քվանտային վիճակի և սկսում իրենց պահել որպես մեկ ամբողջություն։
Գլխավոր բարդությունն այն էր, որ անհրաժեշտ պայմաններ ստանալու համար նյութը ստիպված էին լինում սառեցնել մինչև բացարձակ զրոյին մոտ ջերմաստիճանների։ Նոր աշխատանքն առաջարկում է այլընտրանքային մոտեցում։
Ուլտրասառը ատոմների փոխարեն՝ լույսի և նյութի մասնիկներ
TopoLight միջազգային կոնսորցիումի հետազոտողներն օգտագործել են էքսիտոն-պոլարիտոններ՝ քվազիմասնիկներ, որոնք առաջանում են նյութի հետ լույսի ուժեղ փոխազդեցության ժամանակ։
Դրանք ստեղծելու համար գիտնականները հատուկ նյութեր են տեղադրել օպտիկական միկրոռեզոնատորում՝ մանրադիտակային խցիկում, որտեղ լույսը փոխազդում է նյութի հետ։ Արդյունքում ձևավորվում են հիբրիդային մասնիկներ, որոնք օժտված են և՛ ֆոտոնների, և՛ նյութական գրգռումների հատկություններով։
Էքսիտոն-պոլարիտոնները գոյություն ունեն չափազանց կարճ ժամանակ՝ սովորաբար ընդամենը մի քանի պիկովայրկյան, այսինքն՝ վայրկյանի տրիլիոներորդ մասը։ Բայց նույնիսկ այդ ընթացքում դրանք ունակ են առաջացնելու Բոզե-Այնշտայնի կոնդենսատ և ցուցադրելու հավաքական քվանտային վարք, այդ թվում՝ գերհեղուկություն։
Փորձի համար թիմը ստեղծել է հատուկ հեղուկ բյուրեղով միկրոռեզոնատոր և այն պատել օրգանական կիսահաղորդիչով։ Նման կառուցվածքն ապահովել է լույսի և նյութի բավականաչափ ուժեղ փոխազդեցություն՝ առանց ծայրահեղ սառեցման անհրաժեշտ քվանտային վիճակ ստանալու համար։
Ռազմատեխնիկական համալսարանից պրոֆեսոր Վոյցեխ Պեցկի խոսքով՝ իր խմբի մշակած հեղուկաբյուրեղային միկրոռեզոնատորներն ունակ են աշխատելու նույնիսկ մոտ 60 °C ջերմաստիճանում։ Սա էականորեն ընդլայնում է այն պայմանները, որոնցում հնարավոր է հետազոտել անսովոր քվանտային երևույթները։
Լուսային նախշերը մատնեցին գերկոշտ վիճակը
Գերկոշտության առաջացման մասին գիտնականները դատել են փորձարարական համակարգի արտացոլած լույսով։
Երբ կոնդենսատն անցնում էր նոր վիճակի, պատկերի վրա հայտնվում էին կանոնավոր կերպով տեղակայված պայծառ շերտեր։ Դրանք վկայում էին այն մասին, որ համակարգում մասնիկների խտությունը ձեռք է բերել պարբերական կառուցվածք՝ բյուրեղային կարգի բնորոշ հատկանիշ։
Սակայն հետազոտողները նկատել են նաև մեկ այլ առանձնահատկություն. յուրաքանչյուր լազերային ազդանշանից հետո շերտերն առաջանում էին տարբեր վայրերում։ Համակարգը չէր ընտրում միակ ֆիքսված կոնֆիգուրացիան, այլ ամեն անգամ կանգ էր առնում մի քանի իրավահավասար տարբերակներից մեկի վրա։
Այս երևույթը կոչվում է սպոնտան համաչափության խախտում։ Ելակետային համակարգը թույլ է տալիս մի քանի համարժեք վիճակներ, բայց նոր կարգի ձևավորման գործընթացում ինքնուրույնաբար ընտրում է դրանցից մեկը։ CNRS-ի Պասկալի ինստիտուտից պրոֆեսոր Գիյոմ Մալպեշը նշել է, որ հենց նման վարք էր կանխատեսում գերկոշտության տեսությունը։
Բացի այդ, փորձում հայտնաբերել են այսպես կոչված կայուն սպինային պարույր՝ արտپולվող լույսի բևեռացման պարբերական փոփոխություն։ Բևեռացումը որոշում է լուսային ալիքի էլեկտրական դաշտի տատանումների ուղղորդվածությունը։
Այսպիսով, գիտնականներն արձանագրել են միանգամից երկու տեսակի կարգավորվածություն. մեկը դրսևորվում էր լույսի ինտենսիվության, մյուսը՝ դրա բևեռացման մեջ։ Միասին այս դիտարկումները դարձան գերկոշտ վիճակի առաջացման վկայություն։
Ինչու չափումների համար տրվել էին ընդամենը մի քանի ժամ
Փորձը բարդ էր ոչ միայն գիտական, այլև գործնական տեսանկյունից։ Սարքում օգտագործված օրգանական կիսահաղորդիչը աստիճանաբար մտնում էր ռեակցիայի մեջ հեղուկ բյուրեղի հետ։
Դրա պատճառով պատրաստի նմուշները պահպանում էին աշխատանքային հատկությունները միայն սահմանափակ ժամանակով։ Հավաքումից հետո հետազոտողներն ունեին ընդամենը մի քանի ժամ՝ անհրաժեշտ չափումներն իրականացնելու համար։ Այդ պատճառով փորձերի հաջորդականությունը ստիպված էին լինում պլանավորել նախապես. առանձին չափումը կրկնելը նշանակում էր պատրաստել նոր նմուշ։
Հիմնական չափումներն իրականացվել են IBM Research Zurich-ում։ Այնտեղ հատուկ ստեղծված ֆոտոնային կառույցների վրա քսում էին օրգանական կիսահաղորդիչի բարակ շերտեր։ Լույսը կառավարելու համար նախատեսված բուն կառույցները պատրաստել էին Ռազմատեխնիկական համալսարանի մասնագետները։
MeLPPP նյութը օրգանական կիսահաղորդիչ է, որի հատկությունները IBM-ի գիտնականներն ուսումնասիրել էին արդեն բազմաթիվ տարիներ։ Նախկինում հետազոտողներն նույնիսկ նկատել էին դրանում Բոզե-Այնշտայնի կոնդենսացիա, սակայն այն հեղուկաբյուրեղային միկրոռեզոնատորի հետ համատեղել հաջողվել է առաջին անգամ։
Հենց այս նյութերի միավորումն է թույլ տվել ստանալ գերկոշտ վիճակ լաբորատոր փորձի համար սովորական ջերմաստիճաններում։
Ինչու է անհրաժեշտ առանց սառեցման աշխատող քվանտային նյութը
Բացահայտման գործնական նշանակությունը կապված է նախևառաջ այն բանի հետ, որ բազմաթիվ էկզոտիկ քվանտային վիճակներ մինչ օրս հաջողվել է հետազոտել միայն բարդ կրիոգենային տեղակայումների միջոցով։ Դրանք պահանջում են բացարձակ զրոյին մոտ ջերմաստիճանների պահպանում, ինչը մեծացնում է փորձերի արժեքն ու բարդությունը։
Նոր համակարգը ցույց է տալիս, որ որոշ քվանտային էֆեկտներ հնարավոր է ուսումնասիրել ֆոտոնային սարքերում, որոնք աշխատում են շատ ավելի մատչելի ջերմաստիճաններում։ Սա պոտենցիալ կերպով ճանապարհ է բացում դեպի տեխնոլոգիաներ, որոնք տեղեկատվության մշակման համար օգտագործում են լույս։
Հնարավոր ուղղությունների թվում են՝ գերարագ ֆոտոնային սարքերը, հաշվողական արագացուցիչները և նեյրոմորֆային համակարգերը, որոնք վերարտադրում են մարդկային ուղեղի կողմից տեղեկատվության մշակման առանձին սկզբունքներ։ Նման մոտեցումները կարող են օգնել ավելի արդյունավետ կերպով կատարել որոշակի հաշվողական խնդիրներ։
Կիրառման ևս մեկ պոտենցիալ ոլորտ են օպտիկական սենսորները։ Համակարգի հայտնաբերված զգայունությունը լույսի բևեռացման նկատմամբ կարող է օգտակար լինել այնպիսի սարքերի ստեղծման գործում, որոնք ունակ են ֆիքսելու օպտիկական ազդանշանների շատ փոքր փոփոխությունները։
Առայժմ այս բոլոր կիրառությունները մնում են հետագա հետազոտությունների հեռանկարներ, այլ ոչ թե պատրաստի տեխնոլոգիաներ։
Քվանտային վիճակը հնարավոր է կառավարել էլեկտրականության միջոցով
Փորձարարական հարթակն ունի ևս մեկ կարևոր առանձնահատկություն. դրա օպտիկական հատկությունները հնարավոր է փոխել արտաքին լարման միջոցով։ Հետազոտողների պնդմամբ՝ սա առաջին հարթակն է գերկոշտ էքսիտոն-պոլարիտոնային կոնդենսատներն ուսումնասիրելու համար, որը թույլ է տալիս էլեկտրական կարգավորում։
Նման հնարավորությունը թույլ է տալիս փոխել համակարգի պարամետրերը և հետևել, թե ինչպես է քվանտային վիճակն առաջանում, փոխազդում շրջակա միջավայրի հետ և արձագանքում արտաքին ներգործություններին։ Հեռանկարում սա կարող է կարևոր լինել ֆոտոնային սարքերի ստեղծման համար, որոնցում պահանջվում է ճշգրտորեն կառավարել լույսի և նյութի վարքը։
Աշխատանքի գլխավոր արդյունքը ոչ թե պատրաստի քվանտային համակարգիչն է կամ սենսորի նոր տեսակը, այլ փորձարարական հարթակը, որը թույլ է տալիս առանց ծայրահեղ սառեցման հետազոտել նյութի անսովոր վիճակները։ Սենյակային ջերմաստիճանի և էլեկտրական կառավարման համադրությունը դա դարձնում է քվանտային ֆիզիկան ուսումնասիրելու ավելի ճկուն գործիք և պոտենցիալ կերպով որոշ լաբորատոր էֆեկտներ մոտեցնում գործնական կիրառմանը։
