Shkencëtarët zbulojnë një gjendje të re kuantike në temperaturë dhome

Një bashkëpunim mes studiuesve nga disa institucione evropiane ka arritur të vëzhgojë një gjendje të rrallë kuantike të materies, të njohur si supersolid, në temperaturë dhome. Zbulimi u realizua përmes një kondensati Bose-Einstein të eksitone-polaritoneve dhe mund të hapë rrugën për zhvillimin e pajisjeve të reja fotonike kuantike.

Supersolidi është një gjendje e pazakontë e materies, në të cilën bashkohen dy veti që në pamje të parë duken të papajtueshme: struktura e rregullt e një trupi të ngurtë dhe vetitë e një superfluidi.

Një superfluid është një gjendje e materies në të cilën lëngu humbet viskozitetin dhe mund të rrjedhë pa rezistencë. Ideja se kjo veti mund të ekzistojë njëkohësisht me një strukturë të ngjashme me kristalin u propozua nga fizikanët që në vitet 1960. Megjithatë, supersolidi u vëzhgua eksperimentalisht për herë të parë në vitin 2017, në kondensate Bose-Einstein të atomeve të ftohura në temperatura jashtëzakonisht të ulëta.

Këtë herë, studiuesit ndoqën një qasje tjetër, duke përdorur dritën dhe ndërveprimin e saj me materien për të krijuar kushtet e nevojshme për këtë gjendje kuantike në temperaturë dhome.

Si u krijua gjendja e re kuantike?

Ekipi kërkimor përfshiu shkencëtarë nga Universiteti i Varshavës, Universiteti Ushtarak i Teknologjisë në Poloni, IBM Research Zurich dhe Qendra Kombëtare Franceze për Kërkime Shkencore (CNRS).

Në eksperiment, studiuesit përdorën një mikrorezonator optik, ku drita dhe materia ndërveprojnë fuqishëm. Ky sistem mundësoi krijimin e eksitone-polaritoneve, grimca hibride që formohen nga bashkëveprimi i fotoneve me eksitonet, të cilat janë gjendje të lidhura të elektroneve dhe vrimave në një material.

Mikrorezonatori optik përmbante një kristal të lëngshëm të projektuar posaçërisht dhe ishte i veshur me një gjysmëpërçues organik. Kjo strukturë mundësoi krijimin e eksitone-polaritoneve edhe në temperaturë dhome.

Edhe pse këto grimca ekzistojnë vetëm për disa pikosekonda, kjo kohë është e mjaftueshme për të formuar një kondensat Bose-Einstein, i cili shfaq sjellje kuantike të ngjashme me atë të një superfluidi.

Kalimi drejt gjendjes supersolid u identifikua përmes vijave të ndritshme të dritës, të emetuara nga kampioni dhe të vendosura në intervale të rregullta.

Një fenomen që dëshmon thyerjen spontane të simetrisë

Një nga rezultatet më interesante të eksperimentit ishte se çdo impuls lazeri që aktivizonte kampionin prodhonte vija të ndritshme në pozicione të ndryshme.

Sipas studiuesve, ky fenomen është një shembull i qartë i thyerjes spontane të simetrisë. Në këtë proces, një sistem mund të zgjedhë vetvetiu njërën prej disa gjendjeve të mundshme, edhe kur ato janë teorikisht të barasvlershme.

Studiuesit vëzhguan gjithashtu dy forma të ndryshme të rendit që ekzistonin njëkohësisht: njëra lidhej me polarizimin, ndërsa tjetra me intensitetin e dritës.

Këto vëzhgime përputhen me parashikimet teorike për sjelljen e një supersolidi dhe ofrojnë një mënyrë të re për të studiuar fazat kuantike të dritës dhe materies.

Eksperimenti që kërkoi kushte të veçanta

Realizimi i këtij studimi nuk ishte i lehtë. Gjysmëpërçuesi organik reagonte me kristalin e lëngshëm, prandaj studiuesit duhej t’i përfundonin matjet brenda vetëm disa orësh nga montimi i kampionit.

Çdo përsëritje e eksperimentit kërkonte përgatitjen e një kampioni të ri, duke e bërë procesin më kompleks.

IBM Research Zurich u angazhua në kryerjen e matjeve dhe depozitimin e shtresave të holla të gjysmëpërçuesit organik mbi strukturat fotonike të prodhuara nga Universiteti Ushtarak i Teknologjisë në Poloni.

Megjithëse IBM kishte përvojë të gjatë me filma gjysmëpërçues organikë dhe kishte arritur më parë të vëzhgonte kondensate Bose-Einstein në këto materiale, bashkëpunimi me një mikrorezonator që përmban kristal të lëngshëm përbënte një sfidë të re.

Çfarë do të thotë ky zbulim për teknologjinë?

Shumica e eksperimenteve që studiojnë gjendje ekzotike kuantike të materies kërkojnë temperatura shumë pranë zeros absolute, ku lëvizja termike e grimcave është jashtëzakonisht e ulët.

Rezultati i ri tregon se sisteme të caktuara fotonike mundësojnë vëzhgimin e fenomeneve të tilla edhe në temperaturë dhome. Sipas Wiktor Piecek, profesor në Universitetin Ushtarak të Teknologjisë, mikrorezonatorët me kristale të lëngshme mund të funksionojnë edhe në temperatura që i afrohen 60 gradë Celsius.

Një tjetër veçori e rëndësishme është mundësia e kontrollimit të vetive të mikrorezonatorit përmes një tensioni të jashtëm elektrik. Kjo e bën sistemin të përshtatshëm për studime të mëtejshme dhe mund të ndihmojë në zhvillimin e pajisjeve fotonike kuantike më praktike.

Gjetjet e studimit janë publikuar në revistën shkencore Science Advances, duke ofruar një drejtim të ri për kërkimet mbi ndërveprimin mes dritës dhe materies, si dhe për aplikimet e mundshme të teknologjive kuantike.