Supersolid din lumină și materie, observat la temperatura camerei
O echipă de cercetători de la Facultatea de Fizică a Universității din Varșovia, împreună cu specialiști de la Universitatea Militară de Tehnologie din Polonia, IBM Research Zurich și Centrul Național Francez pentru Cercetare Științifică (CNRS), a observat o nouă stare cuantică a materiei — supersolidul — într-un condensat Bose-Einstein de exciton-polaritoni. Fenomenul are loc la temperatura camerei, nu la temperaturi apropiate de zero absolut, iar rezultatele au fost publicate în Science Advances.
Un supersolid îmbină superfluiditatea cu formarea spontană a unei structuri periodice, asemănătoare unui cristal. La prima vedere, combinația pare imposibilă: un cristal este rigid și ordonat, în timp ce un lichid curge. Mecanica cuantică permite însă o fază care reunește ambele proprietăți. Încă din anii 1960, fizicienii au prezis că un superfluid ar putea dezvolta simultan o structură periodică de cristal, dar predicția a rămas teoretică până în 2017, când supersoliditatea a fost observată experimental în condensate atomice ultrafrigorifice.
De această dată, echipa a ales o cu totul altă cale: în locul atomilor ultrafrigorifici, a studiat exciton-polaritonii — cvasi-partikule hibride formate prin cuplarea puternică dintre lumină și materie într-o microcavitate optică. Deși există doar câteva picosecunde, acest interval este suficient pentru a forma un condensat Bose-Einstein cu comportament de superfluid cuantic. Microcavitatea optică a fost umplută cu un cristal lichid special proiectat și acoperită cu un semiconductor organic, combinație care a permis cuplarea puternică lumină-materie la temperatura camerei.
„Microcavitățile noastre cu cristal lichid pot funcționa chiar și la temperaturi apropiate de 60°C”, explică profesorul Wiktor Piecek de la Universitatea Militară de Tehnologie, al cărui grup a dezvoltat structurile de cristal lichid.
Trecerea în faza de supersolid se recunoaște după apariția unor franje luminoase regulate în lumina emisă de probă. Acestea indică faptul că condensatul a format spontan o modulație periodică de densitate, semnul distinctiv al cristalizării. Experimentul a scos la iveală însă ceva și mai remarcabil: cu fiecare puls laser care excită proba, franjele apar în altă poziție, sistemul cuantic alegând de fiecare dată independent una dintre numeroasele configurații echivalente.
„Este un exemplu clasic de rupere spontană a simetriei”, spune profesorul Guillaume Malpuech de la Institut Pascal (CNRS). „Teoria a prezis că supersolidul poate alege între mai multe stări echivalente, iar exact asta am observat.”
Simultan, condensatul a prezentat și o elice de spin persistentă — o modulație periodică a polarizării luminii emise. Astfel, cercetătorii au observat două forme distincte de ordine în același timp: una în polarizare și alta în intensitatea luminii.
Realizarea experimentului a fost mult mai dificilă decât se anticipase. Semiconductorul organic reacționa treptat cu cristalul lichid, așa că toate măsurătorile au trebuit finalizate în doar câteva ore după asamblarea probei. „A trebuit să planificăm dinainte întreaga secvență de experimente”, își amintește dr. Marcin Muszyński, primul autor al lucrării, în prezent cercetător postdoctoral la The City College of New York. „Repetarea unei măsurători însemna fabricarea unei probe complet noi.”
Măsurătorile cele mai importante au fost efectuate la IBM Research Zurich, unde pelicule subțiri din semiconductorul organic au fost depuse pe structuri fotonice realizate la Universitatea Militară de Tehnologie. „Studiem de mulți ani semiconductorul organic MeLPPP și am observat anterior condensarea Bose-Einstein în acest material”, spune Thilo Stöferle de la IBM Research. „De data aceasta l-am combinat pentru prima oară cu o microcavitate cu cristal lichid.”
Până acum, majoritatea studiilor asupra fazelor cuantice exotice au necesitat sisteme criogenice costisitoare, operate aproape de zero absolut. Noile rezultate arată că fenomene cuantice similare pot fi explorate în sisteme fotonice care funcționează la temperatura camerei. Aceasta deschide perspective pentru viitoare tehnologii cuantice bazate pe lumină — de la dispozitive fotonice ultra-rapide și acceleratoare pentru calcul neuromorfic până la senzori optici de mare sensibilitate, care exploatează sensibilitatea deosebită la polarizare a fazei de supersolid.
Poate chiar mai important, microcavitățile cu cristal lichid oferă prima platformă reglabilă electric pentru studierea condensatelor de exciton-polaritoni în stare de supersolid. Spre deosebire de sistemele anterioare, proprietățile lor optice pot fi controlate dinamic printr-o tensiune externă, ceea ce oferă flexibilitate în studierea fazelor cuantice ale luminii și materiei și deschide calea către dispozitive fotonice cuantice practice.
