Supersolid, neobično kvantno stanje koje povezuje kristalni red sa svojstvima superfluida, fizičari su dobili na sobnoj temperaturi. Umjesto iznimno hladnog plina, upotrijebili su sustav u kojem su svjetlost i tvar snažno povezane unutar sićušne optičke šupljine.
Uzorak je pod laserskim pobuđivanjem stvarao pravilne pruge, ali njihov položaj nije bio unaprijed zadan: mijenjao se od jednog ponavljanja pokusa do drugog. Istraživači su zabilježili i kvantne vrtloge. U radu objavljenom 16. listopada u časopisu Science Advances te rezultate predstavljaju kao dokaz supersolidne faze eksciton-polaritonskog kondenzata.
Ne radi se o komadu obične čvrste tvari koji je počeo teći. Supersolid u ovom pokusu čini skup kvazičestica nastalih povezivanjem fotona s pobuđenjima u materijalu. Njihovo zajedničko ponašanje omogućuje proučavanje pojava za koje su se u atomskim sustavima dosad najčešće koristili iznimno hladni plinovi.
Kako spojiti kristalni red i superfluidnost?
Kristal prepoznajemo po pravilnom rasporedu njegovih sastavnica. Superfluid, s druge strane, u odgovarajućim uvjetima može teći bez viskoznog otpora. Supersolid povezuje obje značajke: pravilnu prostornu strukturu i kvantno ponašanje svojstveno superfluidu.
To ne znači da je svaka prugasta ili pravilno uređena tekućina supersolid. Potrebno je pokazati da red nastaje spontano i da sustav pritom zadržava zajedničko kvantno ponašanje. Upravo su te značajke istraživači provjeravali promatrajući svjetlost koju uzorak emitira nakon laserskih impulsa.
Tim, u kojem sudjeluju istraživači Sveučilišta u Varšavi, poljskog Vojnog tehnološkog sveučilišta, instituta IBM Research u Zürichu i francuskog instituta Pascal, izradio je optičku mikrošupljinu s tekućim kristalom i tankim slojevima organskog polimera MeLPPP. Svjetlost zatočena između zrcalnih slojeva snažno se povezuje s pobuđenjima u polimeru.
Tako nastaju eksciton-polaritoni, kvazičestice sa svojstvima i svjetlosti i tvari. Kada ih se dovoljno skupi u istom kvantnom stanju, tvore Bose-Einsteinov kondenzat. U ovom uređaju takva se kondenzacija postiže na sobnoj temperaturi, uz lasersko pobuđivanje.
Pruge koje svaki put nastaju na drugome mjestu
Tekući kristal omogućuje da se svojstva mikrošupljine mijenjaju primjenom električnog napona. U odgovarajućim uvjetima kondenzat zauzima dva energetski jednako povoljna stanja. Interferencijom, odnosno slaganjem valova iz tih dvaju stanja, nastaje pravilan prugasti raspored gustoće, vidljiv u emitiranoj svjetlosti.
Posebno su važna mjerenja pojedinačnih laserskih impulsa. Pri većoj gustoći kondenzata pruge se nisu svaki put smještale na ista mjesta, premda je uzorak sadržavao nepravilnosti. Sustav je u svakom ponavljanju mogao odabrati drukčiji, jednako dopušten raspored. To je znak spontanog narušavanja translacijske simetrije: pravilan uzorak nastaje bez vanjskog predloška koji bi mu unaprijed odredio položaj.
Istraživači su uz promjene gustoće pratili i polarizaciju svjetlosti, odnosno način na koji titra njezino električno polje. Zabilježili su periodičan polarizacijski uzorak te povremenu pojavu kvantnih vrtloga, koji se u snimkama očituju kao poremećaji u pravilnom rasporedu pruga.
Otpornost pruga na nepravilnosti i pojava vrtloga podupiru tumačenje da faza pokazuje superfluidno ponašanje. Autori pritom navode da taj dio rezultata zahtijeva daljnju kvantitativnu analizu. Pokus nije izravno mjerenje trajnog protoka bez otpora, nego istraživanje nastanka i ponašanja kondenzata pod laserskim pobuđivanjem.
Kvantni pokusi bez skupe kriogenike
Prednost takve platforme nije samo temperatura. Električni napon omogućuje podešavanje optičkih svojstava uzorka, pa se različiti režimi mogu ispitivati unutar istog uređaja. Sveučilište u Varšavi u objavi od 3. studenoga ističe da bi takvi sustavi mogli poslužiti razvoju fotoničkih uređaja i osjetljivih optičkih senzora.
Prije praktične primjene potrebno je riješiti i problem trajnosti uzoraka. U radu se opisuje postupno pogoršanje optičke kvalitete uzoraka, vjerojatno zbog međudjelovanja polimera i tekućeg kristala. Za nastavak istraživanja važni su stabilniji uzorci i preciznija mjerenja superfluidnosti, kako bi se ustanovilo u kojim uvjetima taj spoj kristalnog reda i kvantne pokretljivosti ostaje očuvan.
