Представьте лед, который сохраняет четкую кристаллическую решетку, но при этом течет, как вода, без малейшего трения. Это и есть сверхтвердое вещество — материал, объединяющий два противоречивых свойства. С одной стороны, его частицы выстроены в строгий порядок, как в алмазе. С другой, они движутся согласованно, как в сверхтекучей жидкости, где нет сопротивления. Сверхтвердое вещество одновременно обладают нулевой вязкостью и кристаллоподобной структурой, напоминающей расположение атомов в кристаллах соли.

Такое состояние возможно только в квантовом мире. Здесь частицы перестают вести себя как отдельные объекты и сливаются в единое «целое». Они одновременно занимают определенные позиции в кристалле (как в твердом теле) и свободно перемещаются (как в жидкости). В обычных условиях эти свойства исключают друг друга, но квантовые законы «разрешают» парадокс.

Сверхтвердые вещества предсказали еще в 1960-х, но первые эксперименты удались лишь в 2000-х с атомами гелия и рубидия, охлажденными до минус 273 градусов Цельсия. Такие системы были хрупкими и сложными для изучения. Ученые искали альтернативы — и нашли их в свете.

Статья по теме: Физики впервые запечатлели странную фрактальную «бабочку»

Ранее международная команда физиков под руководством Даниэле Санвитто (Daniele Sanvitto) из Национального исследовательского совета Италии доказала, что свет может имитировать свойства квантовых жидкостей. Теперь та же команда пошла дальше, она провела эксперимент во время которого ученым удалось превратить свет в нечто еще более удивительное.

В эксперименте физики использовали не атомы, а лазер и полупроводник. Ученые направили луч на пластину из арсенида галлия-алюминия с микроскопическими выступами. Взаимодействие света с материалом породило гибридные частицы — поляритоны. Они объединили свойства света и вещества, а узор на поверхности полупроводника заставил их выстроиться в упорядоченную решетку, как в кристалле.

Выступы на полупроводнике сыграли роль «ловушки», ограничив движение поляритонов. В результате частицы выстроились в четкую кристаллическую структуру. Но при этом они сохранили квантовую когерентность — способность течь без сопротивления. Чтобы подтвердить двойственную природу материала, физики измерили его оптические и динамические свойства. Данные показали, что перед учеными первая в истории сверхтвердая структура, созданная из света.

Статья по теме: Из мыльных пузырей сделали крошечные лазеры

Доказать двойственную природу материала оказалось сложно. Ученые измеряли распределение энергии частиц и их движение. Если бы свет вел себя как обычная жидкость, частицы двигались бы хаотично. Но в эксперименте они образовали четкую кристаллическую структуру, сохраняя нулевое трение.

Ранее подобные состояния получали с конденсатом Бозе-Эйнштейна — облаком атомов, охлажденным почти до абсолютного нуля. Однако световые сверхтвердые тела проще контролировать. Например, можно менять параметры лазера или структуру полупроводника, чтобы изучать, как материал реагирует на внешние воздействия.

По словам авторов исследования, открытие поможет понять, как квантовые системы переходят из одного состояния в другое. 

Эксперимент итальянских ученых — первый шаг к созданию новых типов квантовой материи. Следующая цель команды — исследовать, как такие материалы проводят тепло, взаимодействуют с магнитными полями и ведут себя при разных температурах. Возможно, в будущем это поможет разработать квантовые компьютеры или сверхточные датчики.

Результаты исследования представлены в журнале Nature.