W płynach światła można uzyskać długie złącze Josephsona

Polsko-włoska grupa badawcza wykazała, że w polarytonowych płynach światła można uzyskać tzw. długie złącze Josephsona - czyli specjalny, dynamiczny stan cieczy kwantowej. Badania te stanowią również ważny krok na drodze do zastosowań płynów światła w praktyce.

Nadprzewodnictwo i nadciekłość oraz związane z nimi zjawisko kondensacji Bosego-Einsteina to rzadko spotykane na co dzień demonstracje fizyki kwantowej, które daje się zaobserwować w skali większej od rozmiaru pojedynczych cząsteczek. Jedną z ich konsekwencji jest tzw. efekt Josephsona, który występuje na granicy dwóch ośrodków nadprzewodzących oddzielonych np. barierą w postaci cienkiej warstwy izolatora.

Efekt ten ma dzisiaj zastosowania praktyczne: jest wykorzystywany m.in. w precyzyjnych magnetometrach (ang. SQUID), które są integralnym składnikiem medycznych skanerów wykorzystujących metodę ultraczułego rezonansu magnetycznego do obrazowania tkanek (ang. MRI). Wykorzystanie efektu Josephsona napotyka jednak na ograniczenia w postaci konieczności chłodzenia układu pomiarowego do temperatur kriogenicznych - to znacznie zwiększa koszt i stopień komplikacji takich urządzeń.

Zainspirowało to grupę badawczą, w której znaleźli się m.in. naukowcy z IF PAN - do poszukiwania systemów, w których nadciekłość i analogiczne efekty kwantowe można by zrealizować w temperaturze pokojowej.

W ostatniej dekadzie rozwój badań nanomateriałów zrodził koncepcję nowego stanu fizycznego, nazywanego kwantowym płynem światła (ang. fluid of light). Stanowi on wynik oddziaływania materii i światła i jest zazwyczaj uzyskiwany w optoelektronicznych strukturach półprzewodnikowych, w których nie tylko elektrony, ale również światło (fotony) jest zlokalizowane wewnątrz struktury - co prowadzi do ich wzajemnego sprzężenia i utraty jednoznacznej tożsamości światła i materii. Taki właśnie płyn światła ma wówczas własności analogiczne do stanów nadciekłych i nadprzewodzących.

Płyny światła uzyskuje się w szczególności w przypadku quasi cząstek (wzbudzeń elementarnych w krysztale) zwanych polarytonami ekscytonowymi. Powstają one w półprzewodnikach o specjalnie zaprojektowanej strukturze, na skutek oddziaływania światła z ekscytonami - czyli parami cząstek złożonymi z elektronu i "dziury". Takie polarytony są kwantowymi quasi cząstkami, które zachowują się jak słynny "kot Schrödingera". Ich stan kwantowy zawiera dwie alternatywy: "kota żywego" - gdy ekscyton istnieje, lub "kota martwego" - gdy zamiast ekscytonu w układzie znajduje się jedynie foton.

Dzięki ich specyficznym własnościom możliwe jest zaobserwowanie w cieczy polarytonowej kondensacji Bosego-Einsteina i nadciekłości nawet w temperaturze pokojowej.

W artykule opublikowanym w czasopiśmie Nature Photonics badacze z IF PAN we współpracy z grupą doświadczalną z instytutu CNR Nanotec w Lecce we Włoszech pokazali, że w polarytonowych płynach światła możliwe jest uzyskanie także specjalnego, dynamicznego stanu cieczy kwantowej zwanego długim złączem Josephsona.

Złącze takie charakteryzuje się rozmiarem przewyższającym wielokrotnie charakterystyczną skalę długości, odpowiadającą międzyatomowym oddziaływaniom w układzie kwantowym. Dzięki temu możliwe stało się zademonstrowanie przez autorów zjawiska wirów Josephsona, które w odróżnieniu od wirów klasycznych, charakteryzują się skwantowanym momentem pędu. Ich "wirowość" jest zawsze wielokrotnością pewnej stałej wartości. Dlatego też, ze względu na możliwość zakodowania informacji za pomocą skwantowanej wirowości, wiry cieczy stały się obiecującym kandydatem do zastosowań w komputerach kwantowych.

Przedstawione badania stanowią również ważny krok na drodze do zastosowań płynów światła w praktyce, np. w interferometrach SQUID. Dzięki zastosowaniu technologii półprzewodnikowej - a zwłaszcza możliwości obserwacji zjawisk w temperaturze pokojowej - nowa technologia powinna przyczynić się do znacznego obniżenia kosztów urządzeń, a także opracowania nowych zastosowań, gdzie czułość pomiarów ma istotne znaczenie.

płyny światła długie złącze Josephsona efekt Josephsona nadprzewodnictwo nadciekłość