Szobahőmérsékleten is sikerült előállítani egy különleges kvantumállapotot

A lengyel Varsói Egyetem, a Katonai Műszaki Egyetem, az IBM zürichi kutatóközpontja és a francia Nemzeti Tudományos Kutatási Központ (CNRS) szakembereiből álló nemzetközi kutatócsoport olyan különleges anyagállapotot hozott létre, amelyet korábban csak rendkívül alacsony hőmérsékleten sikerült megfigyelni. Az úgynevezett szuperszilárd állapot egyszerre rendelkezik a kristályok szabályos szerkezetével és a szuperfolyadékokra jellemző, gyakorlatilag súrlódásmentes áramlással.

A Science Advances folyóiratban publikált eredmény azért különösen jelentős, mert a kutatóknak ezúttal nem kellett az anyagot az abszolút nulla fok közelébe hűteniük. Ehelyett fény és anyag kölcsönhatásából létrejövő részecskéket használtak.

Egyszerre viselkedik szilárd testként és folyadékként

A szuperszilárd anyagállapot elsőre ellentmondásosnak tűnik. A kristályokban az alkotó részecskék szabályos, ismétlődő elrendeződésben helyezkednek el, míg a folyadékok képesek szabadon áramlani és felvenni az edény alakját. A kvantumfizika azonban lehetővé teszi, hogy egy anyag egyszerre mutassa mindkét tulajdonságot.

A jelenség elméleti lehetőségét már az 1960-as években felvetették, kísérleti bizonyítékot azonban csak 2017-ben találtak rá. Akkor ultrahideg atomokból létrehozott Bose–Einstein-kondenzátumokban sikerült megfigyelni a szuperszilárd állapotot. Az ilyen kísérletekhez rendkívül összetett hűtőberendezésekre van szükség.

Az új kutatásban a tudósok úgynevezett exciton-polaritonokat alkalmaztak. Ezek olyan hibrid részecskék, amelyek a fény és az anyag erős kölcsönhatásából jönnek létre, így mindkettő tulajdonságait hordozzák. A kutatók által kifejlesztett folyadékkristályos optikai szerkezetben ezek a részecskék képesek voltak kollektív kvantumállapotot kialakítani.

Különleges fénymintázatok árulták el a jelenséget

A kísérlet során a kutatók a mintából kibocsátott fényt vizsgálták. Amikor a rendszer szuperszilárd állapotba került, szabályos távolságban elhelyezkedő, világos sávok jelentek meg. Ezek azt jelezték, hogy a részecskék sűrűsége periodikus mintázatot vett fel, ami a kristályos szerkezet egyik alapvető jellemzője.

A kutatók egy másik érdekes jelenséget is megfigyeltek: minden egyes lézerimpulzus után máshol jelentek meg a fénysávok. A rendszer tehát több, egyformán lehetséges elrendeződés közül választott. Ezt a fizikában spontán szimmetriasértésnek nevezik.

A kísérletben emellett a kibocsátott fény polarizációjában is szabályos, ismétlődő mintázat alakult ki. A kétféle rendezettség együttes megjelenése további bizonyítékot szolgáltatott a különleges kvantumállapotra.

A kutatók által kialakított folyadékkristályos mikroüregek akár 60 Celsius-fok körüli hőmérsékleten is működhetnek, vagyis a technológia messze túlmutat az extrém hideget igénylő korábbi kísérleti megoldásokon.

Az optikai számítástechnika előtt is új távlatok nyílhatnak

A felfedezés gyakorlati jelentősége abban rejlik, hogy a különleges kvantumjelenségek vizsgálata és későbbi technológiai alkalmazása egyszerűbbé válhat. A szélsőségesen alacsony hőmérsékletet biztosító rendszerek ugyanis drágák és bonyolultak, ami eddig jelentős akadályt jelentett az ilyen kutatásoknál.

Az új módszer hozzájárulhat rendkívül gyors, fényalapú számítástechnikai eszközök, valamint a mesterséges intelligencia bizonyos feladatait az emberi agy működéséhez hasonlóan végrehajtó, úgynevezett neuromorf számítógépek fejlesztéséhez. A szuperszilárd állapot polarizációra mutatott különleges érzékenysége emellett rendkívül finom optikai változások érzékelésére alkalmas szenzorok alapja is lehet.

A rendszer további előnye, hogy elektromos feszültséggel szabályozható. A kutatók szerint ez az első olyan platform, amely lehetővé teszi a szuperszilárd exciton-polariton-kondenzátumok elektromos hangolását. Ez nagyobb mozgásteret adhat a kvantumállapotok vizsgálatához, és a jövőben a gyakorlati optikai eszközök fejlesztésében is fontos szerepet kaphat.

Forrás: Science Advances, Varsói Egyetem