Исследователи Сколковского института науки и технологий (Сколтех) совместно с коллегами из Исландского университета, Варшавского университета и Института спектроскопии РАН впервые создали перестраиваемый поляритонный двумерный квазикристалл. Учёные продемонстрировали, что это уникальное состояние вещества характеризуется наличием дальнего порядка и новым режимом фазовой синхронизации. Полученные результаты открывают путь к изучению сверхтекучих жидкостей и сверхтекучих твёрдых тел (т. н. суперсолидов) в условиях апериодичности.

Результаты этого прорывного исследования, выполненного при поддержке гранта Российского научного фонда № 24-72-10118, опубликованы в престижном журнале Science Advances. Работа выполнена с использованием экситон-поляритонов — гибридных квазичастиц, состоящих частично из света и частично из материи. Расположив поляритоны в виде мозаики Пенроуза — апериодической структуры с симметрией пятого порядка, учёные смогли наблюдать возникновение макроскопического когерентного состояния, при котором синхронизация отдельных узлов (конденсатов) мозаики происходила нетривиальным образом, в отличие от изученных ранее периодических кристаллов.

Квазикристаллы были открыты израильским учёным Дэном Шехтманом в 1984 году. Это открытие, вызвавшее на тот момент немало споров, позднее было удостоено Нобелевской премии. С тех пор квазикристаллы неизменно вызывают интерес учёных всего мира из-за их парадоксальной структуры: в них отсутствует трансляционная симметрия (повторяющийся узор и неизменность структуры при определённом сдвиге), наблюдаемая в кристаллах, но при этом наблюдается дальний порядок, то есть упорядоченность структуры на больших расстояниях. Уникальную структуру квазикристаллов можно использовать для создания сверхпрочных и долговечных антипригарных покрытий для сковородок и бритвенных лезвий. Вероятно, в будущем на основе квазикристаллов можно будет создавать более эффективную теплоизоляцию зданий и более совершенные системы освещения на базе светодиодных технологий.

С фундаментальной точки зрения у квазикристаллов наблюдаются фрактальные энергетические спектры и необычные транспортные свойства, например, позволяющие наблюдать локализацию Андерсона. Свойства квазикристаллов ранее исследовались с помощью искусственных электронных, фотонных и атомных платформ. Однако сведения о свойствах квазикристаллов в неравновесных квантовых жидкостях света, возбуждаемых с помощью лазерного излучения, практически отсутствовали в литературе.

Используя оптические методы пространственной модуляции света, учёные Сколтеха преобразовали излучение лазера в апериодический массив лазерных пучков, который при фокусировке на микрорезонаторе сформировал мозаику Пенроуза. Такая «оптическая печать» массива лазерных пучков на полупроводниковый материал позволила учёным создать необходимый апериодический потенциальный ландшафт для взаимодействующих поляритонов.

При увеличении мощности лазера выше определённого порогового значения в каждом узле мозаики формировались экситон-поляритонные конденсаты. Благодаря своей гибридной природе конденсаты не локализуются полностью в узлах накачки, а баллистически распространяются в плоскости микрорезонатора, взаимодействуя друг с другом. Используя тонкую настройку мощности лазера, количества узлов и расстояния между ними, учёные добились прецизионного контроля над поляритонной системой в условиях апериодичности.

Самым удивительным наблюдением для учёных стало спонтанное формирование макроскопической когерентности по всей апериодической структуре на масштабах, в 100 раз превышающих размер одного конденсата. Подтверждением дальнего порядка стало наблюдение узких пиков Брэгга с симметрией десятого порядка при измерении фотолюминесценции в импульсном пространстве — явного признака квазикристаллического порядка.

Исследователи также использовали чувствительную технику интерферометрии для измерения относительных фаз между поляритонными конденсатами. Эксперимент показал, что, в отличие от строго периодических решёток, в квазикристаллах между конденсатами устанавливаются нетривиальные фазовые соотношения, когда соседние узлы не находятся ни в фазе, ни в противофазе. Обнаруженная «нетривиальная фазовая синхронизация» напрямую связана с апериодичностью мозаики Пенроуза.

«Результаты оказались очень красивыми в буквальном смысле этого слова, — рассказывает ведущий автор статьи, старший преподаватель Центра фотоники и фотонных технологий Сколтеха Сергей Аляткин. — Мы наблюдали довольно сложную картину интерференции между узлами мозаики Пенроуза, возникающую, когда баллистически распространяющиеся поляритоны взаимодействуют друг с другом».

Авторы полагают, что предложенный ими оптический подход открывает возможности для дальнейшей физической реализации открытого недавно математиками апериодического покрытия (aperiodic monotile), в котором элемент всего лишь одной формы (т. н. монотайл Смита) полностью покрывает плоскость. До того, как было сделано это выдающееся открытие, считалось, что в условиях апериодичности плоскость можно замостить плитками не менее чем двух различных форм. Наглядным примером такого квазикристалла является реализованная в данной работе мозаика Пенроуза, состоящая из «узких» и «широких» ромбов.