Τα υπερστερεά είναι μια παράξενη κβαντική κατάσταση της ύλης που συνδυάζει ιδιότητες στερεών και υγρών. Τώρα έχουν γίνει ακόμα πιο εντυπωσιακές, καθώς οι επιστήμονες έχουν μετατρέψει το ίδιο το φως σε υπερστερεό. Πρόκειται για μια ανακάλυψη που θα μπορούσε να οδηγήσει σε νέες κβαντικές και φωτονικές τεχνολογίες.
Πέρα από τα καθημερινά στερεά, υγρά, αέρια και πλάσματα, υπάρχει μια ολόκληρη ποικιλία εξωτικών καταστάσεων της ύλης. Ένα υπερστερεό έχει κρυσταλλική δομή όπως ένα κανονικό στερεό, αλλά μπορεί επίσης, αντιφατικά, να ρέει ελεύθερα όπως ένα ρευστό.
«Μπορούμε να φανταστούμε το υπερστερεό ως ένα ρευστό που αποτελείται από συνεκτικά κβαντικά σταγονίδια περιοδικά διατεταγμένα στο χώρο», λέει ο ατομικός και οπτικός φυσικός Lacopo Carusotto από το Πανεπιστήμιο του Τρέντο στην Ιταλία. «Τα σταγονίδια είναι σε θέση να ρέουν μέσα από ένα εμπόδιο χωρίς να υφίστανται διαταραχές, διατηρώντας τη χωρική τους διάταξη και την αμοιβαία απόστασή τους αμετάβλητη, όπως συμβαίνει σε ένα κρυσταλλικό στερεό».
Τα υπερστερεά έχουν προηγουμένως κατασκευαστεί μόνο από άτομα, αλλά η ομάδα με επικεφαλής επιστήμονες του Εθνικού Συμβουλίου Έρευνας (CNR) στην Ιταλία δημιούργησε τώρα ένα τέτοιο με τη χρήση φωτονίων για πρώτη φορά.
«Η πραγματοποίηση αυτής της εξωτικής κατάστασης συμπυκνωμένης ύλης σε ένα ρευστό φωτός που ρέει σε μια νανοδομή ημιαγωγού θα μας επιτρέψει να διερευνήσουμε τις φυσικές ιδιότητές της με έναν νέο και ελεγχόμενο τρόπο και ίσως να μπορέσουμε να εκμεταλλευτούμε τα μοναδικά χαρακτηριστικά της για πιθανές εφαρμογές σε νέες συσκευές εκπομπής φωτός», λέει ο φυσικός συμπυκνωμένης ύλης Dario Gerace από το Πανεπιστήμιο της Πάβια στην Ιταλία.
Η κατανόηση του τι ακριβώς συμβαίνει εδώ μπορεί να είναι δύσκολη. Οι επιστήμονες δεν έβγαλαν απλώς φωτόνια που πετούν ελεύθερα από τον αέρα και τα οδήγησαν σε μια εξωτική κατάσταση της ύλης. Για να λειτουργήσει, οι ερευνητές έπρεπε να συνδέσουν τα φωτόνια με την ύλη. Τα φωτόνια προέρχονταν από ένα laser, το οποίο διακτινίστηκε πάνω σε έναν ημιαγωγό αρσενικούχου γαλλίου που παρείχε το μέρος της ύλης στην εξίσωση. Τα φωτόνια αλληλεπιδρούν με διεγέρσεις στο υλικό για να δημιουργήσουν οιονεί σωματίδια που ονομάζονται πολαριτόνια. Παρόμοιες διατάξεις έχουν χρησιμοποιηθεί στο παρελθόν για να μετατραπεί το φως σε υπερρευστό. Η μετατροπή του σε υπερστερεό απαιτεί μερικά επιπλέον βήματα.
Το αρσενιούχο γάλλιο είχε μια συγκεκριμένη δομή σχεδιασμένη να χειρίζεται τα φωτόνια σε τρεις διαφορετικές κβαντικές καταστάσεις. Στην αρχή, τα φωτόνια εγκαθίστανται σε μια κατάσταση με μηδενική ορμή, αλλά καθώς αυτή η κατάσταση «γεμίζει», ζεύγη φωτονίων αρχίζουν να διαχέονται στις δύο γειτονικές καταστάσεις. Αυτό προκαλεί τη συμπύκνωση των πολαριτονίων σε αυτό που η ομάδα ονομάζει δεσμευμένη κατάσταση στο συνεχές (BiC).
Ο περιορισμός των πολαριτονίων σε κάθε κατάσταση μέσα στον ημιαγωγό είναι αυτό που τους δίνει τη χωρική δομή ενός στερεού, ενώ η φυσική τους ικανότητα να ρέουν χωρίς τριβές τα καθιστά υπερρευστά. Οι ιδιότητες και των δύο μαζί θα πρέπει να καθιστούν ολόκληρο το σύστημα ως υπερστερεό.
Για να επιβεβαιώσει ότι αυτό συνέβαινε, η ομάδα έπρεπε στη συνέχεια να ελέγξει για ορισμένα από τα αποκαλυπτικά σημάδια. Η χαρτογράφηση της πυκνότητας των φωτονίων αποκαλύπτει δύο πανύψηλες κορυφές με ένα χάσμα στο κέντρο. Αλλά πάνω από αυτό βρίσκεται ένα ιδιαίτερο μοτίβο διαμόρφωσης, το οποίο υποδεικνύει ότι η μεταφορική συμμετρία έχει σπάσει, ένα χαρακτηριστικό των υπερστερεών σωματιδίων. Στη συνέχεια, χρησιμοποίησαν τη συμβολομετρία για να μετρήσουν την κβαντική κατάσταση του συστήματος και να διασφαλίσουν ότι ήταν συνεκτική τοπικά, σε κάθε συνιστώσα της κατάστασης, και συνολικά σε όλο το σύστημα. Και σίγουρα, αυτή η εύθραυστη τάξη διατηρήθηκε, προσθέτοντας περαιτέρω στοιχεία για τη δημιουργία ενός υπερστερεού.
Η ομάδα αναφέρει ότι αυτό αντιπροσωπεύει έναν εντελώς νέο τρόπο για την παραγωγή της παράξενης κατάστασης της ύλης.
«Η εργασία αυτή δεν αποδεικνύει μόνο την παρατήρηση μιας υπερστερεάς φάσης σε μια φωτονική πλατφόρμα, αλλά ανοίγει επίσης τον δρόμο για την εξερεύνηση των κβαντικών φάσεων της ύλης σε συστήματα μη ισορροπίας», λέει ο φυσικός Daniele Sanvitto, του Ινστιτούτου Νανοτεχνολογίας του CNR. «Αυτό είναι ιδιαίτερα σημαντικό, διότι η προσέγγιση αυτή έχει τη δυνατότητα να γεφυρώσει το χάσμα μεταξύ της θεμελιώδους επιστήμης και των πρακτικών εφαρμογών».
[via]
