Pierwszy kwazikryształ polarytonowy
Badacze ze Skolkovo Institute of Science and Technology wraz z kolegami z Uniwersytetu Islandzkiego, Uniwersytetu Warszawskiego oraz Instytutu Spektroskopii Rosyjskiej Akademii Nauk zaprezentowali pierwszy dwuwymiarowy kwazikryształ polarytonowy, który można rekonfigurować. Wyniki ich prac ukazały się w Science Advances. Kluczową rolę w eksperymencie odegrały ekscyton-polarytony, czyli niezwykłe kwazicząstki będące połączeniem światła i materii. Łączą one właściwości fotonów z cechami elektronów, tworząc zupełnie nową jakość w fizyce kwantowej.
Czytaj też: Nowy materiał bije rekord przewodzenia ciepła. Detronizuje nawet diament
Ekscyton-polarytony powstają, gdy światło uwięzione w mikrorezonatorze łączy się z ekscytonami – quasi-cząstkami występującymi w półprzewodnikach. W praktyce oznacza to, że naukowcy mogą manipulować światłem tak, jakby miało ono masę i inne właściwości typowe dla materii. Te hybrydowe twory zachowują się jak płyn kwantowy, którym da się sterować za pomocą laserów. Daje to badaczom narzędzie do tworzenia i analizowania egzotycznych stanów materii w kontrolowanych warunkach laboratoryjnych.
Wzór Penrose’a w akcji. Matematyka staje się rzeczywistością
Naukowcy ułożyli polarytony zgodnie ze słynnym wzorem Penrose’a – aperiodycznym układem o pięciokrotnej symetrii, który nigdy się nie powtarza. Ten matematyczny wzór, znany z prac noblisty Rogera Penrose’a, stał się podstawą dla nowej formy materii. W przeciwieństwie do zwykłych kryształów, wzór Penrose’a nie ma powtarzającego się motywu, lecz wykazuje uporządkowanie na dużych odległościach. Ta unikalna cecha pozwoliła zaobserwować zjawiska niemożliwe do osiągnięcia w konwencjonalnych strukturach krystalicznych.
Najbardziej zaskakującym rezultatem eksperymentu było zaobserwowanie spontanicznego tworzenia się koherencji na niespotykaną dotąd skalę. Struktura wykazywała synchronizację na odległościach stukrotnie większych niż rozmiar pojedynczego kondensatu.
Wyniki są dosłownie piękne. Znaleźliśmy złożony wzór interferencyjny w płaszczyźnie próbki mikrorezonatora, gdy polarytony z różnych węzłów mozaiki Penrose’a propagują się balistycznie i oddziałują ze sobą – tłumaczy Siergiej Aliatkin, pierwszy autor badania
Tradycyjne kondensaty kwantowe utrzymują koherencję na bardzo małych dystansach. Nowy kwazikryształ polarytonowy przełamał te bariery, wykazując makroskopową koherencję rozciągającą się na obszary znacznie większe niż pojedyncze elementy struktury. Oznacza to, że różne części kwazikryształu „komunikują się” ze sobą na odległościach, które w skali kwantowej są ogromne. Taka synchronizacja może potencjalnie prowadzić do powstania nowych typów urządzeń kwantowych o unikalnych właściwościach.
Zastosowania kwazikryształów. Od kuchni do technologii kwantowych
Odkrycie nawiązuje do pionierskich prac Dana Shechtmana z 1984 roku, nagrodzonych Noblem. Obecne badania przenoszą te koncepcje na poziom kwantowy, otwierając nowe ścieżki eksploracji zjawisk fizycznych. Kwazikryształy już teraz znajdują praktyczne zastosowania. Ich unikalna struktura pozwala tworzyć wyjątkowo trwałe, nieprzywierające powłoki do patelni i żyletek, znacząco wydłużając ich żywotność. W przyszłości mogą przyczynić się do efektywniejszej izolacji budynków i ulepszonych technologii LED. Nowe odkrycie polarytonowych kwazikryształów może rozszerzyć te możliwości o aplikacje kwantowe. Potencjalne zastosowania obejmują zaawansowane sensory kwantowe wykorzystujące nietrywialne właściwości synchronizacji, nowe typy laserów o unikalnych charakterystykach emisji światła oraz urządzenia do przetwarzania informacji kwantowej oparte na egzotycznych stanach materii.
Czytaj też: Fizycy rozwiązali zagadkę elektronów, które nie potrafią znaleźć wyjścia
Badanie otwiera możliwości eksploracji nadstałości i nadciekłości w układach aperiodycznych. Te egzotyczne stany materii łączą właściwości ciał stałych z cechami płynów kwantowych, co może prowadzić do przełomowych odkryć w fizyce podstawowej. Naukowcy planują dalsze eksperymenty z wykorzystaniem różnych wzorów aperiodycznych i innych typów kwazicząstek. Celem jest lepsze zrozumienie mechanizmów odpowiedzialnych za nietrywialne blokowanie fazy i możliwość kontrolowania tego zjawiska.