Исследователи впервые создали перестраиваемый поляритонный двумерный квазикристалл. Команда из Сколковского института науки и технологий (Сколтех) в сотрудничестве с коллегами из Исландского университета, Варшавского университета и Института спектроскопии Российской академии наук продемонстрировала, что это уникальное состояние материи обладает дальним порядком и новым типом фазовой синхронизации. Это открывает новые пути для изучения экзотических явлений, таких как сверхтвёрдые тела и сверхтекучесть в апериодических условиях.
Прорыв, [опубликованный](https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adz2484) в Science Advances, был достигнут с использованием экситон-поляритонов — гибридных квазичастиц, которые частично состоят из света, а частично из материи. Расположив эти поляритоны в мозаике Пенроуза — знаменитом апериодическом узоре с пятикратной симметрией, команда наблюдала возникновение макроскопического когерентного состояния, в котором отдельные узлы синхронизировались нетривиальным образом, в отличие от того, что можно увидеть в обычных периодических кристаллах.
С момента своего спорного открытия Дана Шехтмана в 1984 году, за которое он впоследствии получил Нобелевскую премию, квазикристаллы очаровывают учёных. Они обладают парадоксальной структурой: у них нет повторяющегося узора обычных кристаллов, но есть строгий дальний порядок. Уникальную структуру квазикристаллов можно использовать для создания чрезвычайно прочных антипригарных покрытий для сковородок и лезвий бритв, что значительно продлевает срок их службы. В будущем квазикристаллы могут привести к более эффективной изоляции зданий и улучшению светодиодных технологий освещения.
С фундаментальной точки зрения квазикристаллы демонстрируют фрактальные энергетические спектры и необычные свойства волнового транспорта, такие как локализация Андерсона света. Хотя они изучались в различных электронных, фотонных и атомных системах, их поведение в неравновесной, управляемой лазером квантовой жидкости до сих пор оставалось в значительной степени неизученным.
Чтобы создать свой квазикристалл, исследователи Сколтеха использовали сложную оптическую технику. Они сформировали лазерный луч с помощью пространственного модулятора света, чтобы спроецировать узор мозаики Пенроуза — состоящий из толстых и тонких ромбов — на образец полупроводниковой микрополости. Это «нанесение» массива пятен накачки на полупроводниковый материал создаёт потенциальный ландшафт для взаимодействия поляритонов.
Когда мощность лазера была увеличена выше определённого порога, экситон-поляритонные конденсаты формировались в каждом узле мозаики. Благодаря своей гибридной природе эти конденсаты не локализуются в точках, накачиваемых лазером, а могут баллистически течь по образцу, взаимодействуя и интерферируя друг с другом. Точно настраивая мощность лазера, количество узлов и расстояние между ними, исследователи достигли точного контроля над поляритонной системой в апериодических условиях.
Самым поразительным наблюдением команды стало спонтанное формирование макроскопической когерентности по всей апериодической структуре, простирающейся на расстояния, в 100 раз превышающие размер отдельного конденсата. Появление дальнего порядка было подтверждено появлением резких десятикратных симметричных пиков Брэгга в фотолюминесценции в импульсном пространстве — явный признак квазикристаллического порядка.
Кроме того, используя чувствительную интерферометрическую технику, исследователи измерили карту относительных фаз между конденсатами. Они обнаружили, что узлы синхронизировались с фазовыми различиями, которые не были ни полностью синфазными, ни полностью противофазными — явление, не наблюдаемое в периодических решётках. Эта «нетривиальная фазовая синхронизация» является прямым следствием сложной апериодической среды мозаики Пенроуза.
«Результаты буквально прекрасны», — сказал Сергей Аляткин, первый автор статьи и доцент Центра фотоники Сколтеха. «Мы обнаружили сложную интерференционную картину в плоскости образца микрополости, когда поляритоны из разных узлов мозаики Пенроуза баллистически распространяются и взаимодействуют».
Авторы считают, что реализованный оптический подход открывает путь к дальнейшей физической реализации апериодического моноплита, недавно обнаруженного математиками. Обнаруженный моноплита требует только одной формы плитки, чтобы покрыть всю плоскость без пробелов. До этого открытия считалось, что двумерный квазикристалл можно выложить по крайней мере двумя различными формами плиток, прототипом которых является мозаика Пенроуза, состоящая из пары тонких и толстых ромбов, реализованная в этой работе.
Предоставлено
[Сколковским институтом науки и технологий](https://phys.org/partners/skolkovo-institute-of-science-and-technology/)