Физики из Бразилии открыли световой аналог сверхпроводников
Бразильские физики случайно обнаружили, что фотоны могут объединяться в своеобразные "куперовские пары", подобно электронам в сверхпроводниках, в тех случаях, когда луч света проходит через прозрачные жидкости, говорится в статье, принятой к публикации в журнале Physical Review Letters.
"Подобные пары не только возможны - они, фактически, присутствуют везде. Нас давно интересует то, как далеко простирается феномен сверхпроводимости, и применимы ли те принципы и теории, которые описывают подобное поведение электронов, и к другим типам элементарных частиц. Куперовские пары имеют целый ряд интересных свойств, но пока не понятно, применимы ли они и для их "световых" аналогов", - заявил Андре Сарайва (Andre Saraiva) из Федерального университета Рио-де-Жанейро (Бразилия), чьи слова приводит журнал Nature.
В соответствии с общепринятой на сегодня теорией сверхпроводимости, многие металлы и сплавы начинают проводить электрический ток без какого-либо сопротивления при достаточно низких температурах из-за того, что электроны в них начинают объединяться в так называемые куперовские пары.
Подобные пары частиц ведут себя не как отдельные электроны, а как волны, и представляют собой единое целое с точки зрения законов квантовой физики, что позволяет им проводить электричество с нулевыми потерями. Сегодня ученые активно изучают свойства куперовских пар в надежде понять, как можно создать их при комнатных температурах и сделать сверхпроводимость доступной для всего человечества.
Сарайва и его коллеги выяснили, что и частицы света - фотоны - могут объединяться в подобные пары, наблюдая за тем, как частицы света взаимодействуют с различными формами материи и как эти взаимодействия приводят к рождению рассеянного света.
Когда фотон сталкивается с атомом или электроном в твердой или жидкой среде, часть его энергии передается частице материи, что заставляет ее вибрировать, а свет - "тускнеть" и сдвигаться в красную сторону спектра. Эта потерянная энергия, как заметил Сарайва, может быть поглощена другой частицей света, если она сталкивается с возбужденным атомом через мгновения после первого столкновения.
В результате этого фотоны будут связаны между собой, и, как показали теоретические расчеты ученых, начнут двигаться парами, подобно электронам в сверхпроводниках. Их рождением и поведением будут управлять законы квантовой механики, а не классической оптики и ньютоновской физики.
Руководствуясь этой идеей, ученые проверили, существуют ли подобные пары фотонов в реальном мире, наблюдая за тем, как лазерный луч проходит через восемь различных прозрачных материалов, в том числе обычную дистиллированную воду, бутан и ряд других углеводородов.
В этих наблюдениях ученые опирались на простую закономерность, связанную с существованием подобных "куперовских пар" фотонов. Они должны были достигать фотодетектора одновременно, и при этом иметь небольшие различия в спектре - одна из частиц должна была иметь чуть большую энергию, чем вторая. Подобные пары частиц могут возникать и случайным образом, однако их количество в таком случае будет в сотни раз меньше.
Как оказалось, подозрения бразильских физиков оправдались - им удалось зафиксировать рождение нескольких десятков таких "куперовских пар" фотонов, что подтвердило, что частицы света, являющиеся бозонами, переносчиками фундаментальных взаимодействий, могут в определенном смысле вести себя как электроны, относящиеся к числу фермионов, совершенно иному классу элементарных частиц.
Пока непонятно, какие материалы лучше всего подходят для создания "сверхпроводящих" световых потоков, и какими свойствами обладают подобные пары фотонов. Как предполагает Сарайва, подобные частицы могут меньше рассеиваться при движении через пространство, чем обычный поток света, что сделает их интересными для создания систем связи и микроскопии, однако их отличительные черты еще только предстоит изучить.
