Свет замедляет материю: открыто светоиндуцированное квантовое трение

Свет способен замедлять диффузию материалов в растворах, что открывает новые грани квантовой механики. Согласно исследованию, опубликованному в журнале Nature, освещение углеродных нанотрубок, взвешенных в воде, приводило к замедлению их распространения. Чем интенсивнее было световое воздействие, тем медленнее двигались нанотрубки. Этот феномен получил название светоиндуцированного квантового трения.

Природа квантового трения

Квантовое трение само по себе является необычным понятием. Это сила сопротивления, возникающая между двумя поверхностями или между поверхностью и жидкостью вследствие квантового «шума», заполняющего пространство между объектами. Как объяснила Мариалоре Сульпизи, физик-теоретик из Рурского университета в Бохуме, возглавлявшая работы по моделированию и симуляции, «феномен квантового трения выходит за рамки классической механики. В квантовом трении это сопротивление возникает из-за особого поведения электронов, подчиняющихся законам квантовой механики».

Хотя квантовое трение изучалось теоретически на протяжении многих лет, его наблюдение в реальном времени было крайне сложной задачей. Данное исследование стало наиболее убедительным экспериментальным доказательством того, что трение может возникать не только из-за механического контакта поверхностей, но и вследствие квантовых эффектов на границе раздела вещества и жидкости.

Неожиданное открытие

Себастьян Крусс, физикохимик из Рурского университета в Бохуме и соавтор исследования, отметил: «Обычно, если вы вводите энергию в систему, ожидается, что она будет двигаться быстрее, а не медленнее. Это было несколько контринтуитивно». Изначально команда исследователей не преследовала цель изучения трения. Их работа с углеродными нанотрубками, известными своей способностью к флуоресценции в ближнем инфракрасном диапазоне света, представляет ценность для биологической визуализации.

Однако при освещении нанотрубок и отслеживании их хаотичного движения в воде было замечено нечто необычное: частицы двигались медленнее, чем до воздействия света. По словам Сульпизи, «все началось с экспериментального наблюдения того, что углеродные нанотрубки замедляются под воздействием света. Исследователи начали обсуждать возможное физическое происхождение этого феномена».

Команда также проводила химическую настройку нанотрубок, используя соединения, которые делали их свечение ярче или тусклее. Результаты оказались последовательными: более яркая флуоресценция соответствовала более медленной диффузии в воде, тогда как более тусклое свечение означало более быстрое движение.

Механизм воздействия

Разгадка заключалась в том, как нанотрубки реагируют на свет. При поглощении света они генерируют короткоживущие возбужденные состояния, называемые экситонами. В отличие от большинства материалов, экситоны в углеродных нанотрубках подвижны: они перемещаются вдоль длины трубки. Во время движения они несут флуктуирующие электрические заряды, которые притягивают близлежащие молекулы воды, обладающие собственным дисбалансом электрических зарядов. Это взаимодействие создает дополнительную силу сопротивления на границе раздела нанотрубка-вода, увеличивая общее трение.

Для подтверждения механизма команда провела компьютерные симуляции, а затем ввела химические дефекты в нанотрубки. Эти дефекты захватывали экситоны, не давая им двигаться. Как только экситоны оказывались локализованными, светоиндуцированное трение полностью исчезало. «Наша интерпретация заключается в том, что как только экситон локализуется и больше не может двигаться, он не способен взаимодействовать с водой прежним образом», — пояснил Крусс.

Практическое значение и перспективы

Это открытие не только объясняет замедление, но и демонстрирует, что данный эффект можно включать и выключать. В данном случае квантовое трение не является фиксированным свойством материала, а скорее чем-то, что можно регулировать. «Это исследование показывает, что квантовое трение может быть индуцировано и контролироваться светом, — заявила Сульпизи. — Это новое явление, которое ранее не наблюдалось».

Открытие имеет значение не только для лабораторных исследований. Границы раздела углерод-вода давно ставят в тупик ученых: вода ведет себя необычно при протекании через углеродные нанотрубки или по поверхностям графена, и квантовые эффекты предлагались в качестве одного из объяснений. Данное исследование предоставляет этой теории наиболее конкретное экспериментальное обоснование.

Однако работа еще не завершена. Команда пока не установила, как эффект варьируется в зависимости от различных длин волн света, и проявляется ли аналогичное поведение в других наноматериалах. Тем временем исследователи сосредоточены на том, что этот результат открывает в фундаментальной физике взаимодействия света, вещества и жидкости при тесном контакте. «Это экспериментальное доказательство теоретического предсказания, — подчеркнул Крусс. — Но оно также показывает наличие прямого взаимодействия между возбужденными состояниями и их окружением. На фундаментальном уровне это крайне важно».

Исследование опубликовано в журнале Nature. Источник: Рурский университет в Бохуме.

Твитнуть