Pierwsze na świecie nadpłynne ciało stałe ze światła
Naukowcy korzystający ze wsparcia w ramach finansowanych przez UE projektów Q-ONE i PolArt spowodowalipo raz pierwszy, że światło zachowuje się jak nadpłynne ciało stałe. To niezwykłe osiągnięcie może utorować drogę do lepszego poznania osobliwej kwantowej fazy materii zwanej nadpłynnym ciałem stałym i otworzyć drogę do rozwoju wielu nowych zastosowań, takich jak komputery kwantowe i nadprzewodniki. W stanie nadpłynnym cząsteczki są uporządkowane w strukturę krystaliczną, ale mogą także przepływać swobodnie jak nielepka ciecz. Naukowcom udało się uzyskać przekonujące dowody eksperymentalne na istnienie tego stanu dopiero w 2017 r. Teraz, w badaniu opublikowanym w czasopiśmie „Nature”, naukowcy z Austrii, Włoch i Stanów Zjednoczonych poszli o krok dalej i przekształcili światło w nadpłynne ciało stałe. „To dopiero początek drogi do zrozumienia nadpłynności”, stwierdzają dwaj współautorzy badania, włoscy fizycy Antonio Gianfrate z National Research Council Institute CNR-NANOTEC i Davide Nigro z University of Pavia, cytowani w artykule opublikowanym niedawno w „Newsweeku”. CNR-NANOTEC to instytut nanotechnologiczny należący do włoskiej Krajowej Rady ds. Badań Naukowych, który jest koordynatorem projektu Q-ONE i partnerem PolArt.
Wyłanianie się egzotyczności
Fazy materii takie jak nadpłynne ciała stałe zwykle występują w ekstremalnie niskich temperaturach bliskich zeru absolutnemu (-273,15℃). Jak tłumaczą naukowcy, są to temperatury, w których „wyłania się kwantowo-mechaniczna natura atomów i zaczynają występują egzotyczne fazy materii”. Możliwość istnienia takich egzotycznych faz stała się dla fizyków inspiracją do przeprowadzenia eksperymentów z fotonami. W celu stworzenia nadpłynnego ciała stałego zespół badawczy kierował światło lasera na fotoniczną platformę półprzewodnikową wykonaną z arsenku glinowo-galowego, która przewodzi fotony tak jak elektrony. Opracowany przez nich system opiera się na tworzeniu bozonowych kwazicząstek zwanych „polarytonami”, które powstają w wyniku sprzężenia fotonów z ekscytonami za pośrednictwem silnych oddziaływań elektromagnetycznych. W tym systemie fotony mogą zajmować jeden z trzech stanów kwantowych, z których każdy ma taką samą energię, ale różną długość fal. Początkowo kilka fotonów na platformie półprzewodnikowej ma różne częstotliwości i długości fal, które nie są ze sobą w fazie. Jednak po osiągnięciu pewnej wartości progowej tworzą one pojedynczy kondensat polarytonowy o najniższym możliwym stanie energetycznym. Na łamach „Newsweeka” Gianfrate i Nigro porównują to do pełnego widzów audytorium, w którym tylko trzy miejsca w pierwszym rzędzie są puste – jedno w środku i dwa na obu końcach rzędu. „Z centralnego miejsca widoczność jest najlepsza, więc to właśnie tam chcą siedzieć widzowie, jednak mieści ono tylko jedną osobę”, wyjaśniają. „W kwantowym audytorium (...) każdy może zająć centralne miejsce, co powoduje powstanie tak zwanego kondensatu Bosego-Einsteina – stanu nadciekłego, w którym duża część cząstek jednocześnie zajmuje stan kwantowy o najniższej energii”. Kiedy liczba fotonów na centralnym miejscu osiąga określoną wartość progową, pary fotonów są wypychane na pozostałe dwa miejsca – sąsiednie stany – w celu obniżenia energii układu. „Fotony te tworzą satelickie kondensaty, które mają przeciwne niezerowe liczby falowe, ale tę samą energię (są izoenergetyczne)”, stwierdzają naukowcy i tłumaczą, że właśnie w ten sposób powstaje nadpłynne ciało stałe. Projekt Q-ONE (Quantum Optical Networks based on Exciton-polaritons) kończy się w 2027 r. Projekt PolArt (Neuromorphic Polariton Accelerator) kończy się w 2028 r. Więcej informacji: strona projektu Q-ONE strona projektu PolArt
Słowa kluczowe
Q-ONE, PolArt, foton, światło, polaryton, nadpłynne ciało stałe, kwant, stan, energia, cząstka, półprzewodnik
