Polacy osiągnęli niezwykły stan materii. Działa w temperaturze pokojowej

Coś może jednocześnie zachowywać się jak kryształ i ciecz pozbawiona lepkości. Brzmi niedorzecznie, ale fizycy potrafią wytwarzać takie układy od kilku lat. Dotychczas potrzebowali do tego temperatur niewiele wyższych od zera absolutnego. Teraz międzynarodowy zespół z udziałem Polaków zaobserwował podobny stan kwantowy w temperaturze pokojowej.

Eksperyment przeprowadzono z wykorzystaniem światła, ciekłych kryształów i organicznego półprzewodnika. Naukowcy zobaczyli regularne wzory pojawiające się spontanicznie w układzie, który jednocześnie wykazywał cechy nadciekłości. Odkrycie może przyspieszyć rozwój fotoniki, ale jego najważniejsze zastosowania wciąż należą do przyszłości.

W zwykłym krysztale atomy zajmują uporządkowane pozycje, tworząc powtarzającą się strukturę. W cieczy cząsteczki mogą natomiast przemieszczać się względem siebie. Przez długi czas trudno było wyobrazić sobie układ, który łączyłby te pozornie sprzeczne właściwości.

Mechanika kwantowa dopuszcza jednak istnienie fazy nadstałej, nazywanej również supersolid. Wyróżnia ją przestrzenne uporządkowanie przypominające kryształ oraz właściwości charakterystyczne dla nadciekłości, czyli szczególnego stanu, w którym zanika lepkość.

Pierwsze eksperymentalne obserwacje nadstałości w gazach atomowych przeprowadzono w 2017 r. Wymagały one schłodzenia atomów do temperatur stanowiących ułamki milionowej części kelwina powyżej zera absolutnego. Uzyskanie takich warunków oznacza konieczność użycia skomplikowanej aparatury.

Podobne wymagania mają eksperymenty z kondensatami Bosego-Einsteina prowadzone na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. W laboratorium Cold Atom Lab atomy są chłodzone niemal do absolutnego zera, aby można było obserwować ich zbiorowe zachowanie kwantowe.

Naukowcy z Uniwersytetu Warszawskiego, Wojskowej Akademii Technicznej, IBM Research w Zurychu oraz francuskiego CNRS obrali inną drogę. Zamiast ultrazimnych atomów wykorzystali układ, w którym światło silnie oddziałuje z materią. Nadstałość pojawiła się w nim w zwykłej temperaturze laboratoryjnej.

Sercem eksperymentu była mikrownęka optyczna. To niezwykle cienka struktura, w której światło odbija się pomiędzy dwiema warstwami pełniącymi funkcję zwierciadeł. Jej wnętrze wypełniono nematycznym ciekłym kryształem, a na elementach optycznych umieszczono warstwy organicznego półprzewodnika MeLPPP.

W odpowiednich warunkach fotony oddziałują z wzbudzeniami elektronowymi materiału tak silnie, że tworzą wspólne kwazicząstki. Nazywają się polarytonami ekscytonowymi i mają właściwości zarówno światła, jak i materii.

Właśnie polarytony utworzyły w eksperymencie kondensat Bosego-Einsteina. Duża liczba kwazicząstek zaczęła zachowywać się w sposób spójny, umożliwiając pojawienie się zbiorowych zjawisk kwantowych.

O niezwykłych właściwościach polarytonów pisaliśmy już przy okazji badań kryształu MoOCl2, który w zależności od kierunku potrafi reagować na światło na dwa zupełnie różne sposoby. Warszawski eksperyment dotyczy jednak kontrolowanego kondensatu kwazicząstek w mikrownęce.

Ważną rolę odegrał ciekły kryształ. Jego właściwości optyczne można zmieniać za pomocą napięcia elektrycznego. Dzięki temu badacze mogli regulować zachowanie polarytonów i doprowadzić do powstania szczególnego układu stanów energetycznych, sprzyjającego nadstałości.

Najbardziej przekonującego dowodu dostarczyły obrazy światła emitowanego przez próbkę. Kiedy badacze pobudzali ją impulsami lasera, na zdjęciach pojawiały się regularne, jasne i ciemne pasy. Odpowiadały przestrzennemu uporządkowaniu gęstości kondensatu. Sam widok pasków nie byłby jeszcze wystarczającym odkryciem, bowiem podobne wzory można przecież uzyskać przez interferencję fal w starannie przygotowanym układzie. Kluczowe okazało się zachowanie tych struktur podczas kolejnych pomiarów.

Przy każdym nowym impulsie lasera pasy pojawiały się w nieco innym miejscu. Układ nie odtwarzał więc jednego wzoru narzuconego przez nierówności próbki. Spontanicznie wybierał jedną z wielu możliwych konfiguracji. Fizycy nazywają to spontanicznym łamaniem symetrii. Prawa opisujące układ nie wyróżniają konkretnego położenia wzoru, ale podczas każdego eksperymentu powstaje już określona struktura. Podobną rolę spontanicznego porządku opisywaliśmy przy okazji doświadczeń z kryształami czasu. Tam cykliczność pojawia się w czasie, podczas gdy w nowym eksperymencie chodzi o periodyczne uporządkowanie przestrzenne. Są to jednak odmienne zjawiska fizyczne.

Badacze zarejestrowali również tzw. trwałą helisę spinową, widoczną jako uporządkowane zmiany polaryzacji emitowanego światła. W jednej próbce współistniały więc dwa różne wzory: związany z natężeniem światła i wynikający z jego polaryzacji.

Dodatkowych informacji dostarczyły obserwacje wirów kwantowych. Naukowcy wykryli je w około 10 proc. realizacji kondensatu. Takie struktury są charakterystyczne dla układów wykazujących nadciekłość i stanowią jedną z przesłanek przemawiających za obecnością tej właściwości.

Istotne było także zachowanie pasów w obecności nieuporządkowania próbki. Przy odpowiednio dużej gęstości kondensatu ich położenie nie było trwale blokowane przez lokalne niedoskonałości materiału. Przy słabszym pobudzeniu badacze obserwowali już częściowe unieruchamianie wzoru.

Autorzy badania opublikowanego w Science Advances uznają te wyniki za potwierdzenie fazy nadstałej. Zastrzegają jednocześnie, że pełniejsze ilościowe określenie właściwości nadciekłych wymaga kolejnych analiz.

Nie powstała więc trwała kostka niezwykłej materii, którą można wyjąć z urządzenia. Polarytony istnieją przez zaledwie kilka pikosekund, czyli bilionowych części sekundy. Stan pojawia się podczas pobudzania próbki i zanika wraz z jego ustaniem. Właśnie dlatego możliwość jego wielokrotnego odtwarzania i obserwowania w temperaturze pokojowej ma tak duże znaczenie. Badacze nie muszą za każdym razem przygotowywać ultrazimnej chmury atomowej.

Najtrudniejszą częścią eksperymentu nie było samo chłodzenie, lecz trwałość zastosowanych materiałów. Organiczny półprzewodnik stopniowo reagował z ciekłym kryształem. Po przygotowaniu próbki naukowcy mieli ograniczony czas na wykonanie pomiarów.

Dr Marcin Muszyński, pierwszy autor publikacji, wspominał, że zespół musiał wcześniej szczegółowo zaplanować przebieg doświadczenia. Gdy konieczne było powtórzenie części pomiarów, trzeba było przygotowywać nową próbkę.

Główne eksperymenty przeprowadzono w IBM Research w Zurychu. Tam na struktury fotoniczne wykonane na Wojskowej Akademii Technicznej nanoszono organiczny półprzewodnik. Badacze z UW i francuskiego CNRS uczestniczyli w opracowaniu oraz interpretacji całego eksperymentu.

Prof. Wiktor Piecek z WAT zwraca uwagę, że opracowane przez jego zespół mikrownęki z ciekłymi kryształami mogą pracować nawet w temperaturach zbliżonych do 60 st. C. Nie należy jednak mylić tej możliwości z potwierdzeniem nadstałości w całym takim zakresie temperatur. Opisane w publikacji pomiary przeprowadzono w temperaturze pokojowej.

Najbliższe zastosowania odkrycia dotyczą przede wszystkim fotoniki, czyli technologii wykorzystujących światło do przesyłania i przetwarzania informacji. Kontrolowanie kwantowych właściwości polarytonów za pomocą napięcia elektrycznego daje badaczom nowe możliwości projektowania urządzeń optycznych. Autorzy wymieniają m.in. ultraszybkie elementy fotoniczne, czujniki wykorzystujące wysoką wrażliwość na polaryzację oraz układy wspomagające obliczenia neuromorficzne. Te ostatnie naśladują wybrane zasady działania sieci neuronowych, ale nie muszą korzystać z klasycznych procesorów.

Kierunek ten rozwija również Intel, który zbudował neuromorficzny system Hala Point. W tym przypadku podstawą są specjalizowane układy elektroniczne. Eksperyment z nadstałymi polarytonami dotyczy natomiast potencjalnego wykorzystania zjawisk optycznych.

Przeczytaj także:

Nie ma jeszcze procesora ani czujnika wykorzystującego nową fazę w gotowym produkcie. Przed konstruktorami stoją problemy związane m.in. z krótkim czasem życia polarytonów oraz trwałością materiałów. Samo wytworzenie stanu kwantowego w temperaturze pokojowej nie gwarantuje więc szybkiego wdrożenia.

Wcześniej opisywaliśmy eksperymenty, w których naukowcy manipulowali światłem za pomocą błyskawicznie zmieniających się właściwości materiałów. Podobnie jak tam, najważniejszym osiągnięciem jest uzyskanie większej kontroli nad zjawiskiem, które jeszcze niedawno pozostawało przede wszystkim przedmiotem teorii.

Warszawski eksperyment przesuwa jednak istotną granicę. Nadstałość, wcześniej badana głównie w ultrazimnych układach atomowych, została zaobserwowana w mikrownęce optycznej działającej bez kriogenicznego chłodzenia. Jeśli badaczom uda się zwiększyć trwałość materiałów i dokładniej kontrolować sam kondensat, to niezwykła faza materii może stać się szalenie użytecznym narzędziem inżynierów.

*Grafika wprowadzająca wygenerowana przez AI