Бунт против скуки
(и трансляционной симметрии)
(и трансляционной симметрии)
Бунт против скуки
(и трансляционной симметрии)
(и трансляционной симметрии)
Рецепт квазикристалла
Волшебство — на пользу человечеству
Заместитель руководителя лаборатории гибридной фотоники. Творит чудеса светом и лазерами.
Сергей Аляткин //
Заслуженный профессор,
Руководитель Лаборатории гибридной фотоники, Директор Центра фотоники и фотонных технологий
Руководитель Лаборатории гибридной фотоники, Директор Центра фотоники и фотонных технологий
Павлос Лагудакис //
Или как создать квазикристалл с симметрией пятого порядка
Если вы посмотрите на свежий снег через микроскоп — а в нашем Институте научной сказки и новогоднего чуда это обязательный утренний ритуал — вы заметите скучную закономерность. Все снежинки шестиугольные. Это диктат кристаллографии: природа любит гексагональные решётки и терпеть не может вольностей.
Но в преддверии праздника наша группа экспериментальной фотоники решила нарушить этот незыблемый закон. Мы создали объект, которого не должно существовать в классическом мире твёрдых тел — квазикристалл из жидкого света. Выглядит он как «невозможная снежинка» с десятью лучами, узор которой бесконечен, но никогда не повторяется.
Добро пожаловать в геометрию чуда.
Но в преддверии праздника наша группа экспериментальной фотоники решила нарушить этот незыблемый закон. Мы создали объект, которого не должно существовать в классическом мире твёрдых тел — квазикристалл из жидкого света. Выглядит он как «невозможная снежинка» с десятью лучами, узор которой бесконечен, но никогда не повторяется.
Добро пожаловать в геометрию чуда.
В обычных кристаллах — будь то алмаз, соль или лёд — атомы сидят в скучных, повторяющихся ячейках. Сдвиньте решётку на определённый шаг, и она идеально наложится сама на себя. Это свойство периодических структур называется трансляционной симметрией. Надёжно, предсказуемо и… немного банально.
Квазикристаллы — это джаз в мире материи. Они упорядочены, но отказываются повторяться. Долгое время считалось, что такая структура невозможна, пока за её открытие в металлических сплавах не дали Нобелевскую премию. Но наши физики пошли дальше: они решили собрать такой узор не из тяжёлых атомов, а из чего-то эфемерного — из света и квантовой материи.
Квазикристаллы — это джаз в мире материи. Они упорядочены, но отказываются повторяться. Долгое время считалось, что такая структура невозможна, пока за её открытие в металлических сплавах не дали Нобелевскую премию. Но наши физики пошли дальше: они решили собрать такой узор не из тяжёлых атомов, а из чего-то эфемерного — из света и квантовой материи.
Development
Эскиз
В качестве трафарета мы взяли мозаику Пенроуза — математический узор, который обладает «запрещённой» симметрией пятого порядка. Этим упорядоченным узором можно замостить бесконечную плоскость, но вы никогда не совместите причудливый узор таких снежинок, если начнёте двигать одну относительно другой.
Чернила
Мы включили лазер и с помощью магических законов физики создали множество лазерных пучков, сфокусированных в виде мозаики на микрорезонаторе. Отдельные «капли жидкого света», созданные лазерным излучением в узлах мозаики, вдруг «договорились» друг с другом и начали колебаться в унисон, образовав единое макроскопическое квантовое состояние. В обычной жизни хаос нередко одерживает победу над порядком, но здесь произошла фазовая синхронизация.
2
2
Магия
Чтобы увидеть мозаику, нам понадобятся экситон-поляритоны. Это своеобразные «кентавры» квантового мира: наполовину свет, наполовину материя. Они ведут себя как жидкость, которая умеет светиться.
Для приготовления «невозможной снежинки» вам понадобятся не вода и мороз, а полупроводниковый микрорезонатор и лазер.
Вот и получилась наша «невозможная снежинка». Если же посмотреть на её свечение в обратном пространстве, то можно увидеть десять чётких пиков Брэгга — ту самую симметрию, запрещённую для обычных кристаллов.
Зачем нам всё это нужно? Конечно, мы могли бы написать здесь, как пишем во всех отчётах: «Квазикристаллы перспективны для создания сверхтвёрдых покрытий». И это чистая правда. Покройте такими квазикристаллами лезвия коньков — и они очень долго не будут тупиться.
Или можно выразиться ещё умнее: «Это идеальная платформа для наблюдения локализации Андерсона и реализации топологической фотоники». И это тоже будет чистой правдой.
Но, честно говоря, мы сделали это ещё и потому, что это красиво. Как отметил первый автор исследования, Сергей Аляткин: «Результаты оказались очень красивыми в буквальном смысле этого слова».
«Невозможная снежинка» доказывает: даже в сложной, непредсказуемой системе, где нет простых повторений, возможна идеальная гармония. Пожалуй, это лучшая метафора для наступающего года.
Или можно выразиться ещё умнее: «Это идеальная платформа для наблюдения локализации Андерсона и реализации топологической фотоники». И это тоже будет чистой правдой.
Но, честно говоря, мы сделали это ещё и потому, что это красиво. Как отметил первый автор исследования, Сергей Аляткин: «Результаты оказались очень красивыми в буквальном смысле этого слова».
«Невозможная снежинка» доказывает: даже в сложной, непредсказуемой системе, где нет простых повторений, возможна идеальная гармония. Пожалуй, это лучшая метафора для наступающего года.
Основано на исследовании Сергея Аляткина, опубликованном в журнале Science Advances, и работах лаборатории под руководством Павлоса Лагудакиса (Центр фотоники и фотонных технологий), проведённых совместно с Университетом Исландии, Институтом спектроскопии РАН и Варшавским университетом.
3
1
