O kulisach działań fizyków czytamy w Science. Jak podkreślają, odniesiony sukces ma zaowocować rozwojem nowych technologii kwantowych działających w temperaturze pokojowej i projektowaniem nowatorskich materiałów. Ale wróćmy do początku. W jaki sposób autorom udało się odnieść sukces?
Świat nauki od dawna wiedział, iż wiele metali przyjmuje jedną z dwóch podstawowych struktur krystalicznych. Pierwsza z nich to struktura FCC, w której atomy są upakowane niezwykle gęsto. Druga, BCC, charakteryzuje się nieco luźniejszym rozmieszczeniem atomów. W pewnych warunkach, na przykład podczas ogrzewania, materiały mogą przechodzić z jednej struktury do drugiej. Problem polega na tym, że sam proces transformacji przebiega przez bardzo niestabilne stany pośrednie, które pojawiają się tylko na krótką chwilę i natychmiast zanikają.
Jedna z najważniejszych teorii opisujących ten proces, znana jako ścieżka Nishiyamy-Wassermanna, przewidywała istnienie całej serii takich przejściowych konfiguracji. Przez dziesięciolecia fizycy byli jednak bezradni wobec próby ich bezpośredniej obserwacji. Stany te były po prostu zbyt nietrwałe, by można było je uchwycić przy użyciu konwencjonalnych metod badawczych.
Rozwój technologiczny i zastosowanie nowatorskiego podejścia sprawiły, że po latach doszło do przełomu. Członkowie zespołu badawczego wykorzystali specjalnie zaprojektowane nanocząstki srebra o nietypowym kształcie przypominającym obcięty ośmiościan. Ich geometria znajduje się pomiędzy kulą a sześcianem, co okazało się kluczowe dla uzyskania oczekiwanego efektu. Odpowiednio dobrane nanocząstki fizycy pokryli długimi cząsteczkami organicznymi działającymi jak elastyczne spoiwo, umożliwiające samoczynne organizowanie się struktur w większe układy.
Po połączeniu eksperymentów laboratoryjnych z zaawansowanymi symulacjami komputerowymi badacze odkryli, że właśnie te “lepkie” molekularne powłoki pozwalają nanocząstkom ustabilizować konfiguracje odpowiadające teoretycznym stanom przejściowym. Innymi słowy, naukowcy zdołali “zamrozić” strukturę, która normalnie istnieje jedynie przez ułamek sekundy podczas transformacji materiału. Dzięki temu po raz pierwszy możliwe stało się szczegółowe zbadanie fazy przewidywanej przez teorię od wielu lat.
Czytaj też: Kot Schrödingera doczekał się rodziny. Fizycy mówią, że to coś więcej, niż tylko ciekawostka
Korzyści wynikające z tego sukcesu obejmą nie tylko naukę o materiałach. Podczas dalszych analiz badacze zauważyli bowiem zaskakujące właściwości optyczne nowo utworzonej struktury. Po oświetleniu materiału elektrony w srebrnych nanocząstkach zaczynały drgać synchronicznie z falami świetlnymi, tworząc niezwykle silne sprzężenie światła i materii. Zjawisko to jest szczególnie interesujące z punktu widzenia fizyki kwantowej, ponieważ prowadzi do powstawania stanów splątanych.
Jeszcze bardziej imponujący jest fakt, że efekty te pojawiły się w temperaturze pokojowej. Dotychczas podobne zjawiska występowały najczęściej wyłącznie w ekstremalnie niskich temperaturach, bliskich zeru absolutnemu. Jeśli wyniki się potwierdzą, a kolejne zespoły będą dążyły do dalszych postępów, to ten nowy stan skupienia materii może stać się podstawą przyszłych układów kwantowych wykorzystywanych w obliczeniach, komunikacji oraz ultraczułych systemach pomiarowych.
Źródło: Science
