Stan nadstały w temperaturze pokojowej. Odkrycie z udziałem polskich naukowców
Międzynarodowy zespół badaczy z udziałem naukowców Uniwersytetu Warszawskiego i Wojskowej Akademii Technicznej zaobserwował tzw. fazę nadstałą materii kwantowej w temperaturze pokojowej. Eksperyment przeprowadzono z wykorzystaniem specjalnej mikrownęki optycznej, w której światło oddziałuje z materią. Odkrycie może przyczynić się do rozwoju fotoniki kwantowej, nowych czujników i optycznych systemów przetwarzania informacji.
Faza nadstała (supersolid) to szczególny stan materii, który łączy właściwości dwóch pozornie przeciwstawnych układów: kryształu i nadcieczy. Charakteryzują go uporządkowana, okresowa struktura i właściwości nadciekłe, związane z możliwością przepływu bez lepkości. Istnienie takiego stanu przewidziano teoretycznie już w latach 60. XX wieku, jednak jego eksperymentalne potwierdzenie przez długi czas pozostawało wyzwaniem. W 2017 roku fazę nadstałą zaobserwowano w ultrazimnych gazach atomowych, wymagających temperatur bliskich zeru absolutnemu.
Teraz międzynarodowy zespół, złożony z naukowców Uniwersytetu Warszawskiego, Wojskowej Akademii Technicznej, IBM Research w Zurychu oraz francuskiego CNRS, zaobserwował podobne zjawisko zachodzące w temperaturze pokojowej. Wyniki badań opublikowano w czasopiśmie „Science Advances”.
Polarytony w mikrownęce optycznej
Badacze wykorzystali polarytony ekscytonowe, czyli kwazicząstki powstające w wyniku silnego oddziaływania światła i materii. W odpowiednich warunkach mogą one tworzyć kondensat Bosego-Einsteina, w którym wiele cząstek zachowuje się jak jeden spójny układ kwantowy.
Kluczowym elementem eksperymentu była mikrownęka optyczna zawierająca warstwę ciekłego kryształu oraz cienkie warstwy organicznego półprzewodnika MeLPPP. Konstrukcja umożliwiła uzyskanie silnego sprzężenia światła z materią bez konieczności chłodzenia kriogenicznego. Struktury ciekłokrystaliczne przygotowano na Wojskowej Akademii Technicznej, natomiast najważniejsze pomiary przeprowadzono w laboratoriach IBM Research w Zurychu.
Podczas eksperymentu próbkę pobudzano impulsami laserowymi. Naukowcy zaobserwowali, że emitowane światło tworzy regularne prążki intensywności, charakterystyczne dla uporządkowanej struktury przestrzennej. Co istotne, po kolejnych impulsach laserowych prążki pojawiały się w różnych położeniach. Oznacza to, że struktura powstawała spontanicznie, a jej ułożenie nie było trwale narzucone przez niedoskonałości materiału.
Badacze zaobserwowali również wiry kwantowe, które stanowią dodatkową przesłankę wskazującą na nadciekłe właściwości układu. Zespół naukowców zaznacza jednak, że dokładniejsza charakterystyka wirów wymaga dalszych analiz.
Potencjalne zastosowania w fotonice
Opracowane rozwiązanie umożliwia kontrolowanie właściwości optycznych mikrownęki za pomocą napięcia elektrycznego. Pozwala to zmieniać ułożenie cząsteczek ciekłego kryształu i wpływać na sposób oddziaływania światła z materią wewnątrz układu. Dzięki temu zjawiska kwantowe można badać w temperaturze pokojowej, bez konieczności stosowania skomplikowanych systemów chłodzenia kriogenicznego, wymaganych w wielu dotychczasowych eksperymentach.
W przyszłości podobne struktury mogłyby znaleźć zastosowanie w ultraszybkich elementach fotonicznych, czujnikach optycznych oraz akceleratorach obliczeń neuromorficznych, wykorzystujących zjawiska optyczne do przetwarzania informacji.
Na obecnym etapie odkrycie ma jednak przede wszystkim znaczenie naukowe. Badacze wykazali możliwość uzyskania i kontrolowania nowego stanu kwantowego w temperaturze pokojowej, ale praktyczne zastosowanie tej technologii w urządzeniach elektronicznych i fotonicznych wymagać będzie dalszych prac.
