Międzynarodowy zespół z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego, Wojskowej Akademii Technicznej, IBM Research Zurich i francuskiego CNRS zaobserwował tzw. supertało – stan materii łączący uporządkowaną strukturę kryształu z bezoporowym przepływem cieczy. Dokonano tego w temperaturze pokojowej, bez chłodzenia do okolic zera absolutnego. Wyniki opublikowano w czasopiśmie „Science Advances”.
Ciało stałe i ciecz w jednym
W codziennym życiu kryształ i ciecz to dwa różne światy. Kryształ ma regularnie ułożone cząstki, ciecz płynie i zmienia kształt. Fizyka kwantowa dopuszcza jednak zjawiska, które łamią te intuicje. Jednym z nich jest nadciekłość: ciecz traci lepkość i może przepływać przez bardzo wąskie szczeliny bez tarcia.
W latach 60. XX wieku fizycy zaproponowali coś jeszcze dziwniejszego – nadciecz, która jednocześnie tworzy powtarzalną, krystaliczną strukturę. Taki stan nazwano supertałem. Przez dziesięciolecia pozostawał on teorią; potwierdzenie doświadczalne przyszło w 2017 roku, ale w ultrazimnych kondensatach Bosego-Einsteina, co wymagało schłodzenia materii do temperatur bliskich zera absolutnego.
Światło zamiast ultrazimnych atomów
Konsorcjum TopoLight poszło inną drogą. Zamiast atomów użyto ekscytonów-polarytonów – hybrydowych kwazicząstek, które powstają, gdy światło silnie sprzęga się z materią wewnątrz maleńkiej wnęki optycznej (mikrownęki). Żyją one zaledwie kilka pikosekund, czyli bilionowych części sekundy, ale mimo to potrafią utworzyć kondensat i zachowywać się jak kwantowa nadciecz.
Badacze zbudowali mikrownękę ze specjalnie zaprojektowanym ciekłym kryształem, pokrytą organicznym półprzewodnikiem. Jak mówi prof. Wiktor Piecek z Wojskowej Akademii Technicznej: „Nasze mikrownęki ciekłokrystaliczne mogą działać nawet w temperaturach zbliżających się do 60°C”.
Dowodem było światło emitowane przez próbkę. Po przejściu w fazę supertała pojawiły się regularnie rozmieszczone jasne prążki, świadczące o spontanicznym, okresowym zróżnicowaniu gęstości kondensatu. Po każdym impulsie lasera prążki ustawiały się w innym miejscu – układ za każdym razem wybierał jedną z kilku równoważnych konfiguracji. To przykład spontanicznego łamania symetrii. Zaobserwowano też okresową zmianę polaryzacji światła (tzw. trwałą helisę spinową), co oznacza dwa rodzaje uporządkowania naraz.
Eksperyment na kilka godzin
Praca była trudna logistycznie. Organiczny półprzewodnik z czasem reagował z ciekłym kryształem, więc gotowa próbka nadawała się do pomiarów tylko przez kilka godzin. Cały przebieg doświadczeń trzeba było zaplanować z góry, bo powtórzenie pomiaru oznaczało wykonanie nowej próbki. Kluczowe pomiary przeprowadzono w IBM Research Zurich, a struktury fotoniczne wytworzono w Wojskowej Akademii Technicznej.
Co to oznacza w praktyce
To na razie badania podstawowe, a zastosowania pozostają w sferze możliwości. Autorzy widzą potencjał w szybkich układach fotonicznych, akceleratorach obliczeń inspirowanych pracą mózgu (obliczenia neuromorficzne) oraz czułych czujnikach optycznych. Dodatkowym atutem jest to, że platformę można stroić napięciem elektrycznym – według zespołu to pierwsza taka platforma do badania supertał ekscytonowo-polarytonowych.
Dla polskiego czytelnika warto zauważyć, że znaczną część prac wykonały polskie ośrodki: Uniwersytet Warszawski i Wojskowa Akademia Technicznej. Nie oznacza to, że w najbliższym czasie pojawią się gotowe urządzenia, ale eksperymenty kwantowe bez drogiej kriogeniki są łatwiejsze do powtórzenia w wielu laboratoriach, także w Europie, co może przyspieszyć badania nad technologiami fotonicznymi.
Źródło: ScienceDaily – „A quantum breakthrough makes light behave like both a solid and a liquid”
