Płyn o strukturze kryształu… ze światła. Uzyskano fazę nadstałą w temperaturze pokojowej

Międzynarodowy zespół kierowany przez fizyków z Uniwersytetu Warszawskiego uzyskał w temperaturze pokojowej kwantowy fazę „nadstałą” – ang. Supersolid (zwaną też nadkrystaliczną). Wykorzystali przy tym światło uwięzione w mikrownęce optycznej. Dotychczasowe eksperymenty nad tym stanem materii wymagały stosowania temperatur bliskich zera bezwzględnego.

PODRÓŻ PO SUPERKRYSTALICZNYM JEZIORZE

- „Krystaliczny płyn ze światła” brzmi jak oksymoron, jednak takie właśnie cechy ma nowe faza kwantowa zaobserwowana doświadczalnie – powiedział PAP lider badań, prof. Jacek Szczytko z Wydziału Fizyki UW.

Fazę nadstałą można sobie wyobrazić jako pozbawioną lepkości ciecz (czyli ciecz w stanie nadciekłym), w której tworzą się regularne zagęszczenia na wzór kryształu. Prof. Szczytko opowiedział, że gdybyśmy próbowali płynąć łódką po jeziorze w fazie nadstałej, z powodu braku lepkości wiosła nie napotykałyby oporu, a ciecz wspinałaby się po ściankach burt. A jeśli już udałoby się wiosłem utworzyć jakieś wiry, to kręciłyby się one w nieskończoność. Faza nadstała polega dodatkowo na tym, że ten bezlepki płyn spontanicznie się porządkuje – można więc wyobrazić sobie, że sam tworzy on regularne warstwy cieczy np. o małej i dużej gęstości, jak kuleczki w herbacie bąbelkowej.

Prof. Szczytko wyjaśnił, że faza nadstała – jak się podejrzewa – spontanicznie tworzy się np. w gwiazdach neutronowych, gdzie przewiduje się obecność tzw. makaronu nuklearnego (ang. nuclear pasta). Obecność takiej fazy wpływa na właściwości tych ogromnych obiektów. W warunkach ziemskich natomiast nie da się uzyskać całego jeziora substancji w takiej fazie. Naukowcy próbują jednak różnych metod, aby ją odtworzyć w innych warunkach.

I tu przychodzą z pomocą kwantowe właściwości układów na granicy światła i materii. Kiedy światło oddziałuje z materią, powstają kwazicząstki o właściwościach analogicznych do materii w różnych fazach.

– Wcześniejsze badania nad fazami nadstałymi – prowadzone np. na kondensatach atomowych czy w półprzewodnikowych wnękach monolitycznych – wymagały kriogenicznych temperatur, bliskich zera bezwzględnego. Nasz układ działa zaś w temperaturze pokojowej – powiedział PAP prof. Jacek Szczytko.

A prof. Wiktor Piecek z Wojskowej Akademii Technicznej w Warszawie, odpowiedzialnej za przygotowanie struktur ciekłokrystalicznych zapewnił, że mikrownęki optyczne mogą pracować nawet w temperaturze około 60 st. C.

Aby stworzyć fazę nadstałą w laboratorium, badacze uwięzili światło pomiędzy dwoma lustrami umieszczonymi w odległości zaledwie 2–3 mikronów od siebie. Do tak skonstruowanej mikrownęki wprowadzono barwnik organiczny oraz ciekły kryształ.

– W mikrownęce tworzyły się polarytony ekscytonowe – stany, które już nie były osobno światłem, a osobno wzbudzoną materią, tylko musiały zostać opisane jako kwantowa »mieszanka« światła i materii albo też »kwantowe płyny światła«. Naszych cząstek nie da się więc dotknąć, bo one są zrobione po części ze światła – sprecyzował prof. Szczytko.

Sterowanie ciekłym kryształem za pomocą napięcia elektrycznego w trakcie pobudzania krótkimi impulsami laserowymi pozwoliło wytworzyć w układzie kondensat Bosego-Einsteina (stan materii, w którym cząstki poruszają się jak jedna fala, przypominając stadion kibiców śpiewających wspólnie hymn) i doprowadzić go do spontanicznego utworzenia okresowej struktury krystalicznej.

– W eksperymentach zmuszamy nasz świat do tego, żeby porzucił rozróżnienie, czym jest energia, czyli fale elektromagnetyczne, a czym jest materia, której można dotknąć. Tutaj jest mieszanka jednego i drugiego. A my pokazujemy, że zachowuje się ona w zaskakujący sposób – podsumował prof. Szczytko.

WYŚCIG O PUBLIKACJĘ I PRZYSZŁE ZASTOSOWANIA

Naukowcy nie opublikowali doniesienia o osiągnięciu fazy nadstałej jako pierwsi na świecie – uprzedzili ich badacze z Włoch. Obie grupy przesłały swoje prace do czasopisma „Nature” w tym samym czasie, w 2024 r. Jednak układ, który wykorzystali Polacy, nie był tak dobrze znany recenzentom jak układ Włochów. Recenzenci domagali się od zespołu prof. Szczytki dodatkowych badań, które wymagały dwóch dodatkowych lat pracy. Potwierdziły one jednak, że polski zespół miał rację. Włosi przez ten czas opublikowali swoje wyniki, a polskie rezultaty ukazały się teraz w „Science Advances”.

Osiągnięcie pod kierunkiem prof. Szczytki pozwala jednak na prowadzenie badań nad egzotycznymi stanami kwantowymi bez konieczności stosowania skomplikowanego i kosztownego chłodzenia kriogenicznego. Obecnie naukowcy pracują nad zbadaniem trwałości uzyskanej fazy oraz nad optymalizacją materiałową mikrownęk.

Badacz zwrócił uwagę na to, że doniesienia o zaobserwowaniu zupełnie nowej fazy materii kwantowej są rzadkością, a opracowany w Polsce pomysł na te badania został pomyślnie podchwycony przez światowe środowisko naukowe. Faza ta była wcześniej przewidywana jedynie teoretycznie i do tej pory pozostawała niezwykle trudna do zbadania.

To na razie badania podstawowe, które pokazują nieoczekiwane właściwości światła i materii. Jeśli jednak uda się te nowe stany – zaobserwowane na pograniczu światła i materii – ucywilizować i zaprząc do pracy, być może doprowadzą do budowy nowoczesnych urządzeń, o których nam się wcześniej nie śniło. Badacze już mają pomysły na nowe czujniki, urządzenia do obliczeń optycznych czy części komputerów neuromorficznych działające w temperaturze pokojowej.

- Niestety, pływanie po krystalicznym płynie ze światła nie będzie możliwe – skomentował prof. Szczytko

Ludwika Tomala (PAP)

lt/ bar/