Физици създадоха устройство, генериращо негативна маса

Екип физици създадоха нещо, което наричат „първото устройство, което може да генерира частици, които се държат като такива с негативна маса“.

Устройството генерира странни частици, които са наполовина светлина и наполовина материя. Това може да се окаже изобретяване на нов вид лазер, който функционира с далеч по-малко енергия от технологиите, с които разполагаме към настоякия момент.

Изследването се основава на скорошни теоритични разработки върху поведението на нещо, което се нарича „поларитон“ и изглежда се държи така, сякаш има отрицателна маса – невероятно свойство, при наличието на което обектите се движат КЪМ силата, която ги отблъсква, вместо наобратно.

Сега физици от университета в Рочестър са създали устройство, което им позволява да създават такива поларитони на стайна температура.

Те постигат това като манипулират уловени фотони и ги комбинират с един вид квази-частица, наречена екзитон (exsiton). Така се получава нещо, което е наполовина светлина и наполовина материя и което някои учени наричат „магически прах“.

Това само по себе си е „интересно и вълнуващо от гледна точка на физиката“, казва квантовият физик от Института по оптика към университета в Рочестър Ник Вамивакас.

„Но изглежда се оказва, че устройството, което създадохме, представлява начин за генериране на лазер с невероятно малко необходима енергия.“

Но преди да коментираме лазерите, нека първо поговорим за това, какво точно представлява този „магически прах“, този поларитон. Създаването на поларитон изисква комбинация на фотон с квази частицата екзитон.

Ако частиците бяха оркестър, то щеше да има секции за електрони, кварки и фотони. В този смисъл квази частиците не класират за своя собствена секция в оркестъра. Те се формират на базата на колективното поведение на други частици, нещо като хармонията, която се постига с взаимодействието на кларинети и флейти.

Те се държат дискретно, като подобни на частици обекти и често служат на същата цел. Въпросната квази частица се нарича екзитон и представлява електрон плюс един вид празнина, наречена електронна дупка.

Двойката е обвързана от нещо, което се нарича Сила на Куломб (на физика Чарлз Куломб), която сила се проявява и при взаимодействие на светлината с определени материали. В настоящото изследване въпросният материал е атомно тънък полупроводник, направен от молибденов дислеинид.

Изследователите са свързали полупроводника с оптична микрокапсула – кухина с огледала, използвана за ограничаване на определена честота на светлината до постоянна вълна. Това комбинира идентичността на екзитона с постоянната светлинна вълна и се получава поларитон.

Такива квази частици не са нещо съвсем ново. Но според изследователите повечето работа по поларитона досега е вършена само на базата на квази частици, създадени от неутрални екзитони и фотони, а не от други комплекси.

Новото устройство позволява на учените да тестват взаимодействието между различни видове поларитони. Оказва се, че то е невероятно странно.

„Като предизвикваме екзитон да предаде част от своята идентичност на фотон, за да създаде поларитон, получаваме обект, който има негативна маса,“ казва Вамивакас.

Негативната маса е трудна за въприемане концепция, но е важна за разбиране на контекста. Масата често се наблюдава като резистентност или реакция на сила. Обект, който се държи сякаш има негативна маса като поларитоните, ще има неочаквано поведение.

„Трудно е за възприемане, защото ако се опиташ да го избуташ или да го притеглиш, той ще се държи точно наопаки, ще се движи тъкмо в обратната посока на това, което интуицията ти подсказва“, обяснява Вамивакас.

Това обаче може да има вълнуващи приложения, едно които е стимулирана емисия електромагнитна радиация. Това е нещото, което кара фотонита „да се подредят“ в лазарен лъч.

„С поларитоните, които създадохме чрез нашето устройство, рецептата за направа на лазер е напълно различна,“ казва Вамивакас.

Заради характеристиката на негативна маса, поларитоните ще помогнат за създаването на лазер, който се нуждае от много по-малко входяща енергия.

Квази частиците обещават огромен потенциал и в други сфери на физиката на частиците като например технологиите и квантовия компютър. Физиците дори обмислят дали този „магически прах“ от светлина и материя не може да се използва за направата на радикално нов тип суперкомпютър.

Изследването е публикувано в Nature Physics.