Przedstawiciele Uniwersytetu Warszawskiego i Wojskowej Akademii Technicznej prowadzili bowiem swoje eksperymenty w temperaturze pokojowej, o czym piszą teraz na łamach Science Advances. Ich sukces stanowi potwierdzenie przewidywań, które po raz pierwszy pojawiły się w świecie nauki już w latach 60. ubiegłego wieku.
Czytaj też: Fizycy złamali jedną z podstawowych zasad. Dwa elektrony dokonały czegoś, co miało być niemożliwe
Faza nadstała jest jednym z najbardziej niezwykłych stanów materii przewidywanych przez fizykę kwantową. Łączy dwie właściwości, które na pierwszy rzut oka wydają się wzajemnie wykluczać: uporządkowaną, charakterystyczną dla kryształów strukturę przestrzenną oraz nadciekłość, czyli zdolność do przepływu bez lepkości. Oznacza to, że materia może jednocześnie zachowywać się jak kryształ i jak doskonały płyn kwantowy.
Pomimo wieloletnich przewidywań tego fenomenu, jego eksperymentalne potwierdzenie pozostawało ogromnym wyzwaniem przez kolejne dekady. Pierwsza obserwacja w ultrazimnych kondensatach atomowych miała miejsce dopiero w 2017 roku. Najnowsze badania pokazują, iż podobne zjawiska można badać również w zupełnie innym układzie fizycznym – wykorzystując światło i materię w mikrownękach optycznych.
Co dokładnie wydarzyło się w ostatnim czasie? Badacze wykorzystali ekscytonowo-polarytonowy kondensat Bosego-Einsteina. Polarytony ekscytonowe to kwazicząstki powstające w wyniku silnego sprzężenia światła z materią. W odpowiednio zaprojektowanej mikrownęce optycznej mogą tworzyć kondensat Bosego-Einsteina i wykazywać właściwości nadciekłe.
Niebagatelną rolę odegrała specjalna mikrownęka wypełniona ciekłym kryształem nematycznym, umieszczonym pomiędzy warstwami organicznego półprzewodnika i zwierciadłami Bragga. Zastosowana konstrukcja umożliwiła uzyskanie sprzężenia światła z materią w temperaturze pokojowej. Istotne okazało się również sprzężenie spinowo-orbitalne światła typu Rashby-Dresselhausa. Naukowcy opracowali metodę jego elektrycznego kontrolowania poprzez zmianę dwójłomności ciekłego kryształu za pomocą zewnętrznego napięcia. Dzięki temu możliwe stało się precyzyjne sterowanie właściwościami układu oraz polaryzacją kondensatu.
Czytaj też: Komputery kwantowe przegrywały z niewidzialnym wrogiem. Naukowcy znaleźli na niego sposób
O powstaniu nowej fazy świadczyło pojawienie się regularnych, jasnych prążków w świetle emitowanym przez próbkę. Wskazywały one na spontaniczne powstanie okresowych zmian gęstości kondensatu, przypominających uporządkowanie atomów w krysztale. Uczeni dostrzegli również modulację polaryzacji światła, co oznacza, że w układzie wystąpiły jednocześnie dwa rodzaje uporządkowania: przestrzenne zmiany intensywności światła oraz okresowe zmiany jego polaryzacji. Co ciekawe, po kolejnych impulsach lasera wzór prążków pojawiał się w różnych położeniach. Układ samodzielnie wybierał jedną z kilku równoważnych konfiguracji, ujawniając spontaniczne łamanie symetrii.
Uzyskane dane mają zapewnić nowe perspektywy dla badań nad egzotycznymi fazami materii i kwantowymi właściwościami światła. Szczególnie ważna jest możliwość elektrycznego sterowania układem oraz prowadzenia eksperymentów bez kosztownych systemów chłodzenia do temperatur bliskich zeru absolutnemu. W praktyce może to oznaczać zastosowania w rozwoju urządzeń fotonicznych, akceleratorów obliczeń neuromorficznych i niezwykle czułych sensorów optycznych.
Źródło: Science Advances
