W pracy opublikowanej na łamach czasopisma Science Advances międzynarodowy zespół naukowców z Uniwersytetu Warszawskiego, Wojskowej Akademii Technicznej (WAT), IBM Research Zurich oraz francuskiego Narodowego Centrum Badań Naukowych (CNRS) udowodnił, że tzw. stan nadstały (supersolid) można z powodzeniem wygenerować i kontrolować w warunkach pokojowych. Co więcej, opracowane struktury zachowują pełną funkcjonalność nawet przy podgrzaniu do niemal 60°C, a ich właściwościami optoelektronicznymi można dynamicznie sterować za pomocą zewnętrznego napięcia, co otwiera prostą ścieżkę do miniaturyzacji zintegrowanych kwantowych układów fotonicznych.
Koncepcja fazy nadstałej sięga jeszcze lat 60. XX wieku, kiedy teoretycy wysunęli paradoksalną hipotezę o możliwości współistnienia cech sztywnej sieci krystalicznej oraz nadciekłości – stanu o całkowicie wygaszonej lepkości, umożliwiającego bezoporowy przepływ materii przez najwęższe szczeliny. Na laboratoryjne potwierdzenie tej symbiozy trzeba było czekać aż do 2017 roku, gdy stan ten zaobserwowano po raz pierwszy w ultrazimnych atomowych kondensatach Bosego-Einsteina.
Europejski zespół postanowił jednak ominąć barierę kriogeniczną, zastępując powolne atomy kwazicząstkami światła i materii. W tym celu wykorzystano reżim silnego sprzężenia pomiędzy fotonami uwięzionymi w mikrownęce optycznej a ekscytonami, tworząc hybrydowe ekscyton-polaritony. Choć czas życia tych kwazicząstek liczony jest w zaledwie kilku pikosekundach, w zupełności wystarcza to do uformowania kondensatu Bosego-Einsteina zachowującego się jak kwantowa nadciecz.
Przejście w fazę nadstałą zarejestrowano na podstawie emisji regularnie rozmieszczonych, jasnych prążków interferencyjnych na powierzchni próbki, wykazujących jednoczesne uporządkowanie w dwóch niezależnych kanałach: natężenia światła oraz polaryzacji. Zjawisku towarzyszył bezpośredni dowód fundamentalnego mechanizmu fizycznego – spontanicznego łamania symetrii.
Jak wskazuje prof. Guillaume Malpuech z Institut Pascal (CNRS), każdy kolejny impuls laserowy wzbudzający strukturę powodował powstawanie prążków w zupełnie innych, losowych położeniach przestrzennych, co idealnie pokrywa się z przewidywaniami teoretycznymi zakładającymi wybór jednego spośród wielu równoważnych stanów podstawowych przez formujący się układ nadstały.
Realizacja tego eksperymentu wymagała niezwykłej precyzji technologicznej oraz walki z upływającym czasem. Rdzeń układu stanowiły zaprojektowane i wytworzone w Wojskowej Akademii Technicznej mikrownęki wypełnione specjalnie skomponowanym ciekłym kryształem, na które zespół z IBM Research Zurich nanosił ultracienkie warstwy organicznego półprzewodnika.
Ponieważ materiał półprzewodnikowy wchodził w powolną reakcję chemiczną z medium ciekłokrystalicznym, stabilność fizykochemiczna próbki wynosiła zaledwie kilka godzin od momentu jej złożenia. Wszystkie serie pomiarów optycznych musiały zostać przeprowadzone w tym wąskim oknie czasowym, a każde powtórzenie procedury wymagało syntezy całkowicie nowego egzemplarza. Pokonanie tych barier materiałowych dowiodło jednak, że podatne na modulację napięciową mikrownęki ciekłokrystaliczne stanowią wyjątkowo elastyczną platformę do eksploracji nowych faz kwantowych światła i materii.
