Fisici osservano uno stato supersolido di luce e materia a temperatura ambiente
Una microcavità ottica realizzata da ricercatori europei unisce flusso superfluido e ordine cristallino senza il raffreddamento spinto richiesto finora
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Fisici dell'Università di Varsavia, di IBM Research Zurich e di istituzioni partner hanno osservato uno stato supersolido della materia a temperatura ambiente. La scoperta scientifica, pubblicata su Science Advances, aggira le apparecchiature criogeniche finora necessarie per studiare questo duplice stato quantistico.
Unire ordine cristallino e viscosità nulla in una cavità ottica
Fisici della Facoltà di Fisica dell'Università di Varsavia, della Military University of Technology in Polonia, di IBM Research Zurich e del CNRS francese hanno prodotto un supersolido all'interno di un condensato di Bose-Einstein di eccitoni-polaritoni, come riportato da Phys.org. I teorici avevano previsto i supersolidi negli anni Sessanta, e gli sperimentatori li hanno confermati per la prima volta utilizzando atomi ultrafreddi nel 2017. Lo stato combina un flusso superfluido senza attrito con la disposizione spaziale periodica di un cristallo. Invece di raffreddare nubi atomiche vicino allo zero assoluto, il consorzio di ricerca TopoLight ha intrappolato quasiparticelle ibride di luce e materia all'interno di una microcavità, sfruttando l'accoppiamento luce-materia per sostenere lo stato quantistico in normali condizioni ambientali: un'innovazione scientifica che fa da ponte tra fisica fondamentale e dispositivi pratici.
«Le nostre microcavità a cristalli liquidi possono funzionare anche a temperature che si avvicinano ai 60 °C.»
Prof. Wiktor Piecek, Military University of Technology
«Questo è un esempio da manuale di rottura spontanea della simmetria. La teoria prevedeva che il supersolido potesse scegliere tra diversi stati equivalenti, ed è esattamente ciò che abbiamo osservato.»
Prof. Guillaume Malpuech, Institut Pascal (CNRS)
Cristalli liquidi e semiconduttori organici resistono a 60 gradi
Il dispositivo sperimentale utilizza una microcavità ottica riempita con un cristallo liquido e rivestita con un film sottile del semiconduttore organico MeLPPP, abbreviazione di poli(parafenilene) di tipo ladder sostituito con metile. Secondo il professor Wiktor Piecek della Military University of Technology, il cui gruppo ha progettato le strutture a cristalli liquidi, questi assemblaggi possono funzionare a temperature che si avvicinano ai 60 °C. Gli eccitoni-polaritoni all'interno della cavità persistono solo per pochi picosecondi. Questa breve durata di vita dà alle particelle ibride il tempo sufficiente per condensare e comportarsi come un superfluido quantistico senza attrito, senza necessità di complesse unità di refrigerazione.
Frange, eliche di spin e rottura spontanea della simmetria
Quando i ricercatori hanno stimolato il campione con impulsi laser, la luce emessa si è organizzata in frange luminose regolarmente spaziate. Queste frange sono servite come prova ottica che il condensato formava una modulazione periodica di densità corrispondente a un reticolo cristallino. Le frange cambiavano posizione anche a ogni impulso successivo. Il professor Guillaume Malpuech dell'Institut Pascal del CNRS ha osservato che il sistema quantistico ha selezionato spontaneamente una tra diverse configurazioni equivalenti, dimostrando una rottura spontanea della simmetria. Nello stesso tempo il condensato ha creato un'elica di spin persistente, producendo una modulazione periodica della polarizzazione della luce accanto alla configurazione spaziale dell'intensità.
Limiti di fabbricazione e prospettive per l'hardware ottico
I materiali sperimentali si degradavano rapidamente. Il dottor Marcin Muszyński, primo autore dello studio e ricercatore post-dottorato al City College of New York, ha dichiarato che il semiconduttore organico reagiva chimicamente con il cristallo liquido con il passare del tempo, lasciando ai ricercatori solo poche ore per completare le misurazioni dopo l'assemblaggio, prima di dover costruire un sostituto. I film sottili di MeLPPP depositati presso IBM Research Zurich hanno permesso al gruppo di registrare i dati necessari prima che iniziasse la degradazione. Dimostrare la supersolidità senza refrigerazione a elio liquido offre una base concreta per il trasferimento tecnologico in dispositivi ottici ultraveloci, circuiti fotonici a temperatura ambiente e architetture di calcolo neuromorfico progettate per l'intelligenza artificiale, rendendo questa invenzione una base promettente per future domande di brevetto.
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