Υπέρστερεα κατάσταση σε θερμοκρασία δωματίου: φως που συμπεριφέρεται σαν στερεό και υγρό

Επιστήμονες παρατήρησαν υπέρστερη κβαντική κατάσταση σε θερμοκρασία δωματίου, όπου φως συμπεριφέρεται σαν στερεό και υγρό ταυτόχρονα. Τα ευρήματα δημοσιεύθηκαν στο Science Advances από διεθνή ομάδα του Τμήματος Φυσικής του Πανεπιστημίου της Βαρσοβίας, του Στρατιωτικού Πανεπιστημίου Τεχνολογίας (Πολωνία), του IBM Research Zurich και του Γαλλικού Εθνικού Κέντρου Επιστημονικής Έρευνας (CNRS).

Το υπέρστερεο συνδυάζει την κρυσταλλική τάξη ενός στερεού με την ατριβική ροή ενός υπερρευστού. Μέχρι πρόσφατα είχε επιβεβαιωθεί πειραματικά μόνο σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες, σε συμπυκνώματα Bose–Einstein υπερψυχθέντων ατόμων. Η νέα εργασία το επιτυγχάνει χρησιμοποιώντας υβριδικά φωτονιο-υλικά σωμάτια, τα πολαριτόνια εξιτονίου, σε συσκευή που λειτουργεί σε συνήθεις θερμοκρασίες.

Η ομάδα του προγράμματος TopoLight δημιούργησε ένα οπτικό μικροκοιλωμα με ειδικά σχεδιασμένο υγρό κρύσταλλο, επικαλυμμένο με οργανικό ημιαγωγό. Η ισχυρή σύζευξη φωτός και ύλης στο μικροκοιλωμα οδήγησε σε συμπύκνωση Bose–Einstein πολαριτονίων και στην εμφάνιση υπερρευστότητας χωρίς κρυογενική ψύξη. «Τα μικροκοιλώματα υγρών κρυστάλλων μας μπορούν να λειτουργούν ακόμη και σε θερμοκρασίες κοντά στους 60°C», είπε ο καθηγητής Wiktor Piecek από το Στρατιωτικό Πανεπιστήμιο Τεχνολογίας.

Η απόδειξη της υπέρστερης φάσης προήλθε από τα πρότυπα φωτός που εξέπεμπε το δείγμα: κατά τη μετάβαση, σχηματίστηκαν τακτικά κατανεμημένα λαμπρά κρόσσια, ένδειξη περιοδικής διακύμανσης της πυκνότητας — χαρακτηριστικό κρυσταλλικής διάταξης. Κάθε παλμός λέιζερ, όμως, «επέλεγε» διαφορετική θέση για τα κρόσσια, φανερώνοντας ότι το σύστημα κατέληγε αυθόρμητα σε μία από πολλές ισοδύναμες διαμορφώσεις. «Πρόκειται για κλασικό παράδειγμα αυθόρμητης θραύσης συμμετρίας», εξήγησε ο καθηγητής Guillaume Malpuech από το Institut Pascal (CNRS). Παράλληλα, παρατηρήθηκε επίμονη έλικα σπιν, ως περιοδική μεταβολή της πόλωσης στο εκπεμπόμενο φως.

Το πείραμα είχε στενά χρονικά περιθώρια επειδή ο οργανικός ημιαγωγός αντιδρούσε σταδιακά με τον υγρό κρύσταλλο, περιορίζοντας τη διάρκεια ζωής κάθε δείγματος σε λίγες ώρες. «Έπρεπε να σχεδιάσουμε ολόκληρη τη σειρά μετρήσεων εκ των προτέρων», θυμάται ο Dr. Marcin Muszyński, πρώτος συγγραφέας, σήμερα στο The City College of New York. «Η επανάληψη μιας μέτρησης σήμαινε κατασκευή νέου δείγματος».

Οι κρίσιμες μετρήσεις έγιναν στο IBM Research Zurich, όπου αποθέθηκαν λεπτές επιστρώσεις του οργανικού ημιαγωγού πάνω σε φωτονικές δομές που κατασκευάστηκαν στο Στρατιωτικό Πανεπιστήμιο Τεχνολογίας. «Μελετάμε τον οργανικό ημιαγωγό MeLPPP (methyl-substituted ladder-type poly(paraphenylene)) εδώ και πολλά χρόνια και έχουμε παρατηρήσει προηγουμένως συμπύκνωση Bose–Einstein σε αυτό το υλικό», είπε ο Thilo Stöferle από την IBM Research. «Ήταν η πρώτη φορά που το συνδυάσαμε με μικροκοιλωμα υγρού κρυστάλλου».

Η επίτευξη σε θερμοκρασία δωματίου μειώνει δραστικά την ανάγκη για δαπανηρά κρυογενικά συστήματα και καθιστά πιο προσιτή τη μελέτη εξωτικών κβαντικών φαινομένων σε φωτονικές διατάξεις. Πιθανές εφαρμογές που διερευνώνται περιλαμβάνουν υπερταχείες φωτονικές συσκευές, νευρομορφικούς επιταχυντές υπολογισμού και προηγμένους οπτικούς αισθητήρες, αξιοποιώντας και την ιδιαίτερη ευαισθησία του υπέρστερεου στην πόλωση.

Κλειδί του εγχειρήματος είναι και ο ηλεκτρικός έλεγχος: τα μικροκοιλώματα υγρών κρυστάλλων αποτελούν την πρώτη ηλεκτρικά ρυθμιζόμενη πλατφόρμα για τη μελέτη υπέρστερων συμπυκνωμάτων πολαριτονίων εξιτονίου, επιτρέποντας μεταβολή των οπτικών ιδιοτήτων με εξωτερική τάση. Ο συνδυασμός λειτουργίας σε θερμοκρασία δωματίου και ηλεκτρικής ρυθμισιμότητας προσφέρει ένα ευέλικτο μέσο για τη διερεύνηση και, δυνητικά, την αξιοποίηση κβαντικών φαινομένων σε πρακτικές φωτονικές συσκευές.

Πηγή: share.google.