Descoperire științifică uriașă. Fizicienii au creat, în premieră mondială, un supersolid din lumină: „O stare exotică a materiei”

Supersolidele sunt o stare cuantică ciudată a materiei care combină proprietățile solidelor și ale lichidelor. Acum au devenit și mai halucinante, deoarece oamenii de știință au transformat lumina însăși într-un supersolid. Este o descoperire care ar putea conduce la noi tehnologii cuantice și fotonice, potrivit Science Alert.

Dincolo de solidele, lichidele, gazele și plasmele obișnuite, există o întreagă „grădină zoologică” de stări exotice ale materiei. Teoretizat de mult timp, dar creat abia recent, un supersolid are o structură cristalină ca un solid obișnuit, dar poate, de asemenea, contraintuitiv, să curgă liber ca un fluid.

„Un fluid compus din picături cuantice”

„Ne putem imagina supersolidul ca un fluid compus din picături cuantice coerente dispuse periodic în spațiu”, spune fizicianul atomic și optic Iacopo Carusotto de la Universitatea Trento din Italia.

Picăturile, explică Carusotto, „sunt capabile să treacă printr-un obstacol fără a suferi perturbări, menținându-și aranjamentul spațial și distanța reciprocă neschimbate, așa cum se întâmplă într-un solid cristalin”.

Supersolidele au fost create anterior numai din atomi, însă echipa condusă de oamenii de știință de la Consiliul Național de Cercetare (CNR) din Italia a creat acum, pentru prima dată, unul folosind fotoni.

„Realizarea acestei stări exotice a materiei condensate într-un fluid de lumină care curge într-o nanostructură semiconductoare ne va permite să investigăm proprietățile sale fizice într-un mod nou și controlat și, probabil, să putem exploata caracteristicile sale unice pentru posibile aplicații în noi dispozitive care emit lumină”, spune fizicianul specializat în materia condensată Dario Gerace, de la Universitatea italiană din Pavia.

„O stare legată în continuum”

Înțelegerea exactă a ceea ce se întâmplă aici poate fi complicată. Oamenii de știință nu au smuls pur și simplu fotoni liberi din aer și nu i-au convins să treacă într-o stare exotică a materiei - la urma urmei, lumina nu este materie, este energie.

Pentru a reuși, cercetătorii au trebuit să cupleze fotonii la materie. Fotonii au provenit de la un laser, care a fost proiectat pe un semiconductor de arsenură de galiu, care a furnizat partea de materie a ecuației. Fotonii interacționează cu excitațiile din material pentru a crea cvasiparticule numite polaritoni.

Instalații similare au fost utilizate în trecut pentru a transforma lumina într-un superfluid. Transformarea acesteia într-un supersolid necesită câțiva pași suplimentari.

Arsenidul de galiu avea o structură specială concepută pentru a manipula fotonii în trei stări cuantice diferite.

La început, fotonii se așează într-o stare cu moment zero, dar pe măsură ce această stare se „umple”, perechi de fotoni încep să se reverse în cele două stări adiacente. Acest lucru face ca polaritonii să se condenseze în ceea ce echipa numește o stare legată în continuum (BiC).

Un superfluid cu structura spațială a unui solid

Constrângerea polaritonilor la fiecare stare din cadrul semiconductorului este ceea ce le conferă structura spațială a unui solid, în timp ce capacitatea lor naturală de a curge fără fricțiune îi face un superfluid. Proprietățile ambelor împreună ar trebui să facă din întregul sistem un supersolid.

Pentru a confirma acest lucru, echipa a trebuit apoi să verifice unele dintre semnele revelatoare. Cartografierea densității fotonilor relevă două vârfuri impunătoare cu o prăpastie în centru. Dar deasupra acestora se află un model special de modulare, care indică faptul că simetria translațională este ruptă - o caracteristică a supersolidelor.

Apoi, au folosit interferometria pentru a măsura starea cuantică a sistemului și pentru a se asigura că aceasta era coerentă la nivel local, în fiecare componentă a stării, și la nivel global în întregul sistem. În mod cert, această ordine fragilă a rămas intactă, adăugând dovezi suplimentare ale creării unui supersolid.

„Are potențialul de a reduce decalajul dintre știința fundamentală și aplicațiile practice”

Echipa spune că acest lucru reprezintă o modalitate complet nouă de a crea starea ciudată a materiei.

„Această lucrare nu numai că demonstrează observarea unei faze supersolide într-o platformă fotonică, dar deschide, de asemenea, calea explorării fazelor cuantice ale materiei în sisteme în non-echilibru”, spune fizicianul Daniele Sanvitto, de la Institutul de Nanotehnologie al CNR.

„Acest lucru este deosebit de semnificativ, deoarece această abordare are potențialul de a reduce decalajul dintre știința fundamentală și aplicațiile practice.”

Cercetarea a fost publicată în revista Nature.