Φυσικοί παρατήρησαν εξωτική κβαντική κατάσταση ύλης σε θερμοκρασία δωματίου

Φυσικοί παρατήρησαν μια εξωτική κβαντική κατάσταση ύλης που λειτουργεί σε θερμοκρασία δωματίου, χωρίς την ακραία ψύξη που συνήθως απαιτούν τέτοιες καταστάσεις. Τα αποτελέσματα δημοσιεύτηκαν στο Science Advances από διεθνή ομάδα ερευνητών και δείχνουν προς πιο πρακτικές χρήσεις της κβαντικής τεχνολογίας σε προηγμένα υπολογιστικά συστήματα και αισθητήρες.

Η κατάσταση αυτή είναι εν μέρει υγρή και εν μέρει στερεή και δημιουργήθηκε με μια μικροσκοπική δομή παγίδευσης φωτός, τη λεγόμενη microcavity. Ως πειραματική διάταξη, το σύστημα έχει πλεονεκτήματα: είναι σχετικά οικονομικό, μπορεί να ελέγχεται με τάση και δεν χρειάζεται κρυογονικό ψυγείο.

«Οι μικροκοιλότητες υγρών κρυστάλλων μας μπορούν να λειτουργούν ακόμη και σε θερμοκρασίες που πλησιάζουν τους 60 °C», λέει ο φυσικός Wiktor Piecek από το Military University of Technology στην Πολωνία.

Ο τεχνικός όρος για αυτή την κβαντική κατάσταση είναι υπερστερεό σε συμπύκνωμα Bose-Einstein εξιτονίων-πολαριτονίων, ένας όρος που περιγράφει ένα ιδιαίτερο είδος οργάνωσης και συμπεριφοράς σωματιδίων. Στην κβαντική περιοχή, δύο από τις σχετικές καταστάσεις είναι τα υπερρευστά, δηλαδή υγρά που ρέουν χωρίς αντίσταση, και τα υπερστερεά, που είναι υπερρευστά με κανονική, επαναλαμβανόμενη κρυσταλλική δομή. Αυτό είναι το υπερστερεό στοιχείο του φαινομένου.

Το εξιτόνιο-πολαριτόνιο είναι ένα υβριδικό ψευδοσωματίδιο, δηλαδή πολλά σωματίδια που συμπεριφέρονται ως ένα, και συνδυάζει φως και ύλη. Το συμπύκνωμα Bose-Einstein είναι η κατάσταση στην οποία πολλά σωματίδια ή ψευδοσωματίδια γίνονται ένα ενιαίο κβαντικό σώμα.

Για να παραχθεί αυτή η κβαντική κατάσταση, οι ερευνητές συνδύασαν έναν υγρό κρύσταλλο, που μπορεί να ελέγχεται με τάση, και έναν οργανικό ημιαγωγό, ο οποίος αλληλεπιδρά έντονα με το φως. Στη συνέχεια χρησιμοποίησαν παλμούς λέιζερ για να δώσουν την ενέργεια που χρειαζόταν η κβαντική αντίδραση.

Η συμπεριφορά που αναζητούσαν οι επιστήμονες είχε πάντως σχετικά σύντομη διάρκεια, καθώς τα υλικά υποβαθμίζονταν με τον χρόνο, λόγω της αντίδρασης του ημιαγωγού με τον υγρό κρύσταλλο.

«Έπρεπε να σχεδιάσουμε ολόκληρη τη σειρά των πειραμάτων από πριν», λέει ο φυσικός Marcin Muszyński από το City College of New York. «Για να επαναλάβουμε μια μέτρηση χρειαζόταν να κατασκευάσουμε εντελώς νέο δείγμα».

Η επιβεβαίωση όσων έβλεπαν ήρθε με κάθε διαδοχικό παλμό λέιζερ. Το συμπύκνωμα σχηματιζόταν ξανά κάθε φορά, με τις ρίγες του, το στερεό, κρυσταλλικό μέρος του υπερστερεού, να εμφανίζονται σε ελαφρώς διαφορετικές θέσεις με κάθε ανανέωση.

Αυτό δείχνει ότι πρόκειται για εγγενές χαρακτηριστικό της κβαντικής κατάστασης και όχι για κάτι που καθορίζεται από την εξωτερική microcavity.

«Πρόκειται για κλασικό παράδειγμα αυθόρμητης θραύσης συμμετρίας», λέει ο φυσικός Guillaume Malpuech από το γαλλικό εθνικό κέντρο επιστημονικών ερευνών CNRS. «Η θεωρία προέβλεπε ότι το υπερστερεό θα μπορούσε να επιλέξει ανάμεσα σε αρκετές ισοδύναμες καταστάσεις, και αυτό ακριβώς παρατηρήσαμε».

Παρότι τα μεμονωμένα σωματίδια που παρήγαγαν οι ερευνητές κράτησαν μόνο κλάσματα του δευτερολέπτου, αυτό ήταν αρκετό για τις παρατηρήσεις που χρειάζονταν. Δοκιμάστηκαν πολλαπλά δείγματα με τα ίδια αποτελέσματα, τα οποία υποστηρίχθηκαν επίσης από υπολογιστικά μοντέλα προσομοίωσης.

Μελλοντικές βελτιώσεις των πειραμάτων θα μπορούσαν να περιλαμβάνουν τρόπους ώστε οι βασικές αντιδράσεις να διαρκούν περισσότερο και λεπτομερέστερη μελέτη των κβαντικών δινών που εμφανίστηκαν, δηλαδή των ατελειών στα μοτίβα των ρίγων που έδειχναν υπερρευστή συμπεριφορά.

Στην πράξη, αυτό σημαίνει πιο εύκολο τρόπο μελέτης της κβαντικής συμπεριφοράς σε υπερρευστά και υπερστερεά, χωρίς το επιπλέον κόστος και την πολυπλοκότητα της ακραίας ψύξης, ιδιαίτερα σε ό,τι αφορά τη σύζευξη σπιν-τροχιάς που παρατηρήθηκε εδώ, δηλαδή τη σύνδεση της πόλωσης του φωτός με την κίνηση που δημιούργησε τη διάταξη του υπερστερεού.

Μεσοπρόθεσμα, σχεδόν κάθε κβαντικό φαινόμενο που συνδέεται με το φως, ακόμη και όσα αφορούν μικροτσίπ και προηγμένους αισθητήρες, θα μπορούσε να ωφεληθεί.

«Η δουλειά μας ανοίγει νέες προοπτικές για τη φυσική των κβαντικών ρευστών φωτός παρουσία σύζευξης σπιν-τροχιάς και πέρα από αυτήν», γράφουν οι ερευνητές στην εργασία τους, που δημοσιεύτηκε στο Science Advances.

Πηγή: sciencealert.com.