Płyn o strukturze kryształu… ze światła. Uzyskano fazę nadstałą w temperaturze pokojowej
Fizycy z Warszawy uzyskali w temperaturze pokojowej nową fazę materii kwantowej, łączącą właściwości płynu pozbawionego lepkości z uporządkowaną strukturą krystaliczną. Do wytworzenia tzw. fazy nadstałej wykorzystali światło uwięzione w mikrownęce optycznej. Wyniki badań ukazały się w czasopiśmie „Science Advances”.
Międzynarodowy zespół pod kierownictwem fizyków z Uniwersytetu Warszawskiego uzyskał kwantową fazę nadstałą (ang. supersolid), zwaną również nadkrystaliczną. Przełomowe znaczenie eksperymentu wiąże się z możliwością prowadzenia badań w temperaturze pokojowej. Dotychczas naukowcy potrzebowali do tego warunków kriogenicznych, czyli temperatur bliskich zeru bezwzględnemu.
Podróż po superkrystalicznym jeziorze
– „Krystaliczny płyn ze światła” brzmi jak oksymoron, jednak takie właśnie cechy ma nowa faza kwantowa zaobserwowana doświadczalnie – powiedział PAP lider badań, prof. Jacek Szczytko z Wydziału Fizyki UW.
Fazę nadstałą można wyobrazić sobie jako ciecz pozbawioną lepkości, w której spontanicznie powstają regularne zagęszczenia przypominające strukturę kryształu. Prof. Szczytko posłużył się przykładem jeziora wypełnionego taką substancją. Podczas próby przepłynięcia go łódką wiosła nie napotykałyby oporu, a ciecz wspinałaby się po burtach. Raz wprawione w ruch wiry mogłyby krążyć bez końca.
Jednocześnie płyn samoczynnie tworzyłby uporządkowane struktury, składające się z obszarów o różnej gęstości. Można je porównać do charakterystycznych kuleczek znajdujących się w herbacie bąbelkowej. Ta niezwykła kombinacja właściwości odróżnia fazę nadstałą od tradycyjnych stanów materii.
Prof. Szczytko wyjaśnił, że podobne zjawiska mogą spontanicznie występować w gwiazdach neutronowych. Naukowcy przewidują obecność w nich tzw. makaronu nuklearnego (ang. nuclear pasta), którego struktura wpływa na właściwości tych niezwykle gęstych obiektów. W warunkach ziemskich nie można jednak uzyskać całego jeziora substancji w fazie nadstałej. Badacze poszukują więc innych sposobów jej odtworzenia.
Pomocne okazują się kwantowe właściwości układów znajdujących się na pograniczu światła i materii. Ich wzajemne oddziaływanie prowadzi do powstawania kwazicząstek, które mogą wykazywać właściwości charakterystyczne dla różnych faz materii.
– Wcześniejsze badania nad fazami nadstałymi – prowadzone np. na kondensatach atomowych czy w półprzewodnikowych wnękach monolitycznych – wymagały kriogenicznych temperatur, bliskich zera bezwzględnego. Nasz układ działa zaś w temperaturze pokojowej – powiedział PAP prof. Jacek Szczytko.
Prof. Wiktor Piecek z Wojskowej Akademii Technicznej w Warszawie, odpowiedzialnej za przygotowanie struktur ciekłokrystalicznych, zapewnił natomiast, że mikrownęki optyczne mogą pracować nawet w temperaturze około 60°C.
Jak powstała nowa faza materii kwantowej?
Aby wytworzyć fazę nadstałą w laboratorium, naukowcy uwięzili światło pomiędzy dwoma lustrami oddalonymi od siebie o zaledwie 2–3 mikrony. Następnie do tak skonstruowanej mikrownęki wprowadzili barwnik organiczny oraz ciekły kryształ.
– W mikrownęce tworzyły się polarytony ekscytonowe – stany, które już nie były osobno światłem, a osobno wzbudzoną materią, tylko musiały zostać opisane jako kwantowa »mieszanka« światła i materii albo też »kwantowe płyny światła«. Naszych cząstek nie da się więc dotknąć, bo one są zrobione po części ze światła – sprecyzował prof. Szczytko.
Podczas eksperymentu badacze sterowali ciekłym kryształem za pomocą napięcia elektrycznego, jednocześnie pobudzając układ krótkimi impulsami laserowymi. W ten sposób wytworzyli kondensat Bosego-Einsteina, czyli stan, w którym cząstki zachowują się jak jedna fala. Zjawisko można porównać do stadionu kibiców wspólnie śpiewających hymn. W odpowiednich warunkach kondensat spontanicznie utworzył okresową strukturę krystaliczną.
– W eksperymentach zmuszamy nasz świat do tego, żeby porzucił rozróżnienie, czym jest energia, czyli fale elektromagnetyczne, a czym jest materia, której można dotknąć. Tutaj jest mieszanka jednego i drugiego. A my pokazujemy, że zachowuje się ona w zaskakujący sposób – podsumował prof. Szczytko.
Wyścig o publikację i przyszłe zastosowania
Polski zespół nie był pierwszym, który opublikował wyniki dotyczące uzyskania fazy nadstałej. Uprzedzili go naukowcy z Włoch, choć obie grupy przesłały swoje prace do czasopisma „Nature” w tym samym czasie, w 2024 roku.
Układ wykorzystany przez polskich fizyków był jednak mniej znany recenzentom niż rozwiązanie zastosowane przez włoski zespół. W związku z tym autorzy musieli przeprowadzić dodatkowe eksperymenty, które wydłużyły prace o kolejne dwa lata. Ostatecznie potwierdziły one prawidłowość wcześniejszych obserwacji. W międzyczasie włoscy naukowcy opublikowali swoje rezultaty, natomiast wyniki polskiego zespołu ukazały się w czasopiśmie „Science Advances”.
Osiągnięcie badaczy pod kierownictwem prof. Szczytki otwiera nowe możliwości prowadzenia eksperymentów nad egzotycznymi stanami kwantowymi. Przede wszystkim eliminuje konieczność stosowania skomplikowanych i kosztownych systemów chłodzenia kriogenicznego. Obecnie zespół koncentruje się na analizie trwałości uzyskanej fazy oraz optymalizacji materiałów wykorzystywanych do budowy mikrownęk.
Jak zauważył prof. Szczytko, doniesienia o zaobserwowaniu nowej fazy materii kwantowej należą do rzadkości. Koncepcja badawcza opracowana w Polsce spotkała się również z zainteresowaniem międzynarodowego środowiska naukowego. Wcześniej naukowcy przewidywali istnienie tej fazy głównie na podstawie teorii, a jej eksperymentalne badanie pozostawało niezwykle trudnym zadaniem.
Choć eksperyment ma obecnie charakter badań podstawowych, jego wyniki mogą w przyszłości przyczynić się do rozwoju nowoczesnych technologii. Poznanie właściwości stanów powstających na pograniczu światła i materii stwarza perspektywy opracowania nowych rozwiązań. Badacze rozważają już zastosowanie tych zjawisk w czujnikach, urządzeniach do obliczeń optycznych oraz elementach komputerów neuromorficznych pracujących w temperaturze pokojowej.
Zanim jednak odkrycie znajdzie praktyczne zastosowanie, konieczne będą dalsze prace nad stabilnością i kontrolowaniem nowej fazy. Jak żartobliwie zaznaczył prof. Szczytko, mimo niezwykłych właściwości uzyskanej substancji pływanie po krystalicznym płynie ze światła nie będzie możliwe.
Przeczytaj także: Sztuczna inteligencja woli po angielsku
Źródło: naukawpolsce.pl
Last Updated on 10 listopada, 2026 by Aleksandra Fenikowska