Badania, opublikowane w czasopiśmie Science Advances, są wynikiem współpracy zespołów z Islandii, Polski i Instytutu Nauki i Technologii w Skolkowie (Skoltech). Naukowcy po raz pierwszy zaobserwowali, że w dwuwymiarowym, nieperiodycznym układzie optycznym może powstać stan o długozasięgowym porządku i niezwykłej synchronizacji fazowej. Innymi słowy – światło i materia potrafią w takim układzie działać wspólnie jak jeden złożony organizm kwantowy.
Światło i materia tworzą kwazikryształ
W centrum eksperymentu znalazły się tzw. polarytony, czyli hybrydowe cząstki powstające w wyniku silnego sprzężenia fotonów (cząstek światła) i ekscytonów (kwazicząstek powstałych w półprzewodniku, gdy elektron i dziura tworzą parę). Polarytony zachowują się jak płyn kwantowy: mogą interferować, przepływać i komunikować się ze sobą na znaczne odległości.
Czytaj też: Naukowcy stworzyli największy znany kwazikryształ. Powód tego wyczynu jest naprawdę
Naukowcy z Skoltechu postanowili uporządkować te cząstki w strukturę znaną z matematyki jako mozaika Penrose’a – wzór złożony z dwóch rodzajów rombów, który ma pięciokrotną symetrię, ale nigdy się nie powtarza. Taki układ, zwany kwazikryształem, łączy w sobie cechy porządku i chaosu: jego elementy są uporządkowane, lecz nie w sposób regularny jak w typowych kryształach.
Aby stworzyć tę strukturę, badacze użyli modulatora światła przestrzennego – urządzenia, które potrafi zmieniać kształt wiązki laserowej. Za jego pomocą “narysowali” wzór Penrose’a na powierzchni półprzewodnikowej mikrownęki. Tam, w miejscach oświetlonych laserem, zaczęły tworzyć się kondensaty polarytonowe – skupiska cząstek zachowujące się jak jeden obiekt kwantowy.
Kiedy intensywność lasera przekroczyła pewien próg, poszczególne kondensaty nie pozostały od siebie niezależne. Zaczęły się synchronizować i tworzyć jeden wspólny stan kwantowy, mimo że układ nie miał regularnej, periodycznej struktury. Badacze zauważyli, że w całej mozaice powstała spójność kwantowa obejmująca obszar nawet 100 razy większy niż rozmiar pojedynczego kondensatu.
Oznacza to, że cząstki zachowywały się tak, jakby “wiedziały” o sobie nawzajem i dostosowywały swoje fazy w sposób pośredni – ani w pełni zgodny, ani całkowicie przeciwny. Tego typu niebanalne blokowanie faz nigdy wcześniej nie zostało zaobserwowane w układach światłociał o takiej złożoności.
Jak tłumaczy dr Sergey Alyatkin, pierwszy autor publikacji i adiunkt w Centrum Fotoniki Skoltechu:
Wyniki naszego eksperymentu są niezwykle eleganckie. Na powierzchni próbki zobaczyliśmy złożony wzór interferencyjny, który powstał, gdy polarytony z różnych węzłów mozaiki Penrose’a poruszały się po próbce i wzajemnie oddziaływały. To coś, czego wcześniej nie widziano w żadnym klasycznym układzie krystalicznym.
Choć kwazikryształy mogą wydawać się abstrakcyjną koncepcją, mają bardzo konkretne zastosowania. Ich odkrycie w 1984 r. przez Dana Shechtmana (nagrodzone Noblem w 2011 r.) zrewolucjonizowało naukę o materiałach. Dziś wykorzystuje się je m.in. w trwałych powłokach noży, patelni i elementów maszyn – dzięki ich niezwykłej twardości i odporności na zużycie.
Z perspektywy fizyki, kwazikryształy są interesujące, bo ich nieperiodyczna struktura prowadzi do nietypowych zjawisk kwantowych. Mogą one np. powodować lokalizację Andersona – efekt, w którym fale (np. świetlne lub elektroniczne) zatrzymują się w materiale i nie rozchodzą dalej. Struktury tego typu mają również fraktalny rozkład energii, co czyni je idealnym modelem do badania zachowań fal w złożonych środowiskach.
Eksperyment zespołu Skoltechu to pierwszy przypadek, gdy kwazikryształ został stworzony z materii, która nie jest w równowadze – z płynu kwantowego napędzanego laserem. To otwiera drogę do badań nad jeszcze bardziej egzotycznymi stanami, takimi jak nadstałość.