Işık-madde melezleri oda sıcaklığında süper katı kuantum durumu oluşturur

Varşova Üniversitesi Fizik Fakültesi, Askeri Teknoloji Üniversitesi (Polonya), IBM Research Zürih ve Fransız Ulusal Bilimsel Araştırma Merkezi’nden (CNRS) araştırmacılar, bir eksiton-polariton Bose-Einstein yoğunlaşmasında süper katı olarak bilinen maddenin yeni bir kuantum durumunu gözlemlediler. Dikkat çekici bir şekilde bu olay mutlak sıfıra yakın sıcaklıklarda değil, oda sıcaklığında meydana geliyor. Sonuçlar şurada yayınlandı: Bilim Gelişmeleri.

Bir sıvı nasıl aynı zamanda kristal olabilir?

İlk bakışta bu imkansız gibi görünüyor. Sıvı akarken kristal katı ve düzenlidir. Ancak kuantum mekaniği her iki özelliği de birleştiren bir duruma izin verir. Hikaye süperakışkanlıkla başlıyor; maddenin viskozitenin tamamen ortadan kalktığı olağanüstü hali. Bir süperakışkan en dar kanallardan bile direnç göstermeden akabilir. Böyle bir sıvıya küreği batırırsanız, kritik hız aşılana kadar neredeyse hiç direnç hissetmezsiniz, bu noktada aniden kuantum girdapları ortaya çıkar.

1960’lı yılların başlarında fizikçiler bir süperakışkanın eş zamanlı olarak periyodik kristal benzeri bir yapı geliştirebileceğini öngördüler. Süperkatı olarak adlandırılan ortaya çıkan faz, bir kristalin uzaysal düzenini sergilerken, bir süperakışkanın sürtünmesiz akışını korur. Yarım yüzyıldan fazla bir süre boyunca bu teorik bir tahmin olarak kaldı. Ultra soğuk atomik Bose-Einstein yoğunlaşmalarında süper katılığın deneysel olarak gözlemlenmesi 2017 yılına kadar mümkün değildi.

Atomlar yerine ışık

TopoLight konsorsiyumu tamamen farklı bir rota seçti. Araştırmacılar, ultra soğuk atomları kullanmak yerine eksiton polaritonları (optik bir mikro boşluk içinde ışık ve madde arasındaki güçlü eşleşmeyle oluşan hibrit yarı parçacıklar) incelediler. Yalnızca birkaç pikosaniye boyunca var olmalarına rağmen, bu onların Bose-Einstein yoğunlaşması oluşturmaları ve kuantum süperakışkanı gibi davranmaları için yeterlidir.

Optik mikro boşluk özel olarak tasarlanmış bir sıvı kristal ile doldurulmuş ve organik bir yarı iletken ile kaplanmıştır. Bu kombinasyon, oda sıcaklığında güçlü ışık-madde eşleşmesini mümkün kıldı.

Grubu sıvı kristal yapıları geliştiren Askeri Teknoloji Üniversitesi’nden profesör Wiktor Piecek, “Sıvı kristal mikro boşluklarımız 60°C’ye yaklaşan sıcaklıklarda bile çalışabilir” diyor.

Bir süper katıyı nasıl tanırsınız?

Süper katı faza geçiş, numuneden yayılan ışıkta düzenli aralıklı parlak saçakların ortaya çıkmasıyla ortaya çıkar. Bu saçaklar, yoğuşmanın kendiliğinden periyodik bir yoğunluk modülasyonu (kristalizasyonun bir işareti) oluşturduğunu gösterir.

Ancak deney daha da dikkat çekici bir şeyi ortaya çıkardı.

Numuneyi heyecanlandıran her lazer darbesiyle saçaklar farklı bir konumda ortaya çıktı. Her seferinde kuantum sistemi bağımsız olarak birçok eşdeğer konfigürasyondan birini seçti.

Institut Pascal’dan (CNRS) profesör Guillaume Malpuech, “Bu, kendiliğinden simetri kırılmasının ders kitaplarında yer alan bir örneğidir” diye açıklıyor. “Teori, süper katının birkaç eşdeğer durum arasından seçim yapabileceğini öngördü ve biz de tam olarak bunu gözlemledik.”

Aynı zamanda yoğunlaşma, kalıcı bir dönüş sarmalı da sergiledi; bu, yayılan ışığın polarizasyonunun periyodik bir modülasyonuydu. Sonuç olarak araştırmacılar aynı anda iki farklı düzen biçimini gözlemlediler: biri polarizasyonda, diğeri ışık yoğunluğunda.

Zamana karşı yarış

Deneyi gerçekleştirmek beklenenden çok daha zorlu oldu.

Organik yarı iletken, sıvı kristalle kademeli olarak reaksiyona girdi; bu, tüm ölçümlerin, numunenin toplanmasından sonraki yalnızca birkaç saat içinde tamamlanması gerektiği anlamına geliyordu.

Makalenin ilk yazarı ve şu anda The City College of New York’ta doktora sonrası araştırmacı olan Dr. Marcin Muszyński, “Tüm deney dizisini önceden planlamak zorundaydık” diye anımsıyor. “Bir ölçümün tekrarlanması tamamen yeni bir numunenin üretilmesi anlamına geliyordu.”

En önemli ölçümler, organik yarı iletkenin ince filmlerinin Askeri Teknoloji Üniversitesi’nde üretilen fotonik yapılar üzerine biriktirildiği IBM Araştırma Zürih’te gerçekleştirildi.

IBM Research’ten Thilo Stöferle, “Organik yarı iletken MeLPPP’yi (metil ikameli merdiven tipi poli(parafenilen)) uzun yıllar boyunca inceledik ve daha önce bu malzemede Bose-Einstein yoğunlaşmasını gözlemledik” diyor. “Bu, onu sıvı kristal bir mikro boşlukla ilk kez birleştirdiğimiz zamandı.”

Neden önemli?

Şimdiye kadar, egzotik kuantum aşamaları üzerine yapılan çalışmaların çoğu, mutlak sıfıra yakın çalışan pahalı kriyojenik sistemler gerektiriyordu. Yeni sonuçlar, benzer kuantum olgularının oda sıcaklığında çalışan fotonik sistemlerde de araştırılabileceğini göstermektedir.

Bu, ultra hızlı fotonik cihazlardan ve nöromorfik bilgi işlem hızlandırıcılarından, süper katı fazın olağanüstü polarizasyon duyarlılığından yararlanan son derece hassas optik sensörlere kadar, ışığa dayalı gelecekteki kuantum teknolojileri için fırsatlar yaratıyor.

Belki daha da önemlisi, sıvı kristal mikro boşluklar, süper katı eksiton-polariton yoğunlaşmalarını araştırmak için elektriksel olarak ayarlanabilen ilk platformu sağlar. Önceki sistemlerden farklı olarak, optik özellikleri harici bir voltajla dinamik olarak kontrol edilebiliyor, bu da ışığın ve maddenin kuantum fazlarını incelemek için esneklik sunuyor ve pratik kuantum fotonik cihazlara giden yolu açıyor.