Odkryto nowy stan materii. Technologie ze „Star Wars” w zasięgu ręki

Naukowcom udało się osiągnąć coś, co może przypominać ten fantastyczny koncept – przekształcili światło laserowe w coś, co zachowuje się jak ciało stałe. Dzięki temu odkryli zupełnie nowy stan materii.

Przełom w fizyce kwantowej

Po raz pierwszy w historii naukowcy stworzyli nowy stan materii. Łączy on uporządkowaną strukturę ciała stałego z właściwościami nadciekłości – zjawiska znanego również jako supersolid. Materia w tej fazie ma krystaliczną strukturę, ale jednocześnie jej cząstki mogą swobodnie się przemieszczać, nie napotykając oporu.

Odkrycia dokonali badacze z włoskiego Instytutu Nanotechnologii CNR Nanotec. W swoich eksperymentach stworzyli różne wersje supersolidów. Wykorzystali do tego atomy umieszczone w specjalnych wnękach optycznych, materiały o silnych właściwościach magnetycznych oraz układy spinowe.

W jednym z badań naukowcy uzyskali nowy rodzaj supersolidu. Opiera się on na tzw. ekscytonach-polarytonach – cząstkach powstających w wyniku interakcji światła z materią.

To osiągnięcie otwiera nowe możliwości badania egzotycznych faz materii, które łączą cechy zarówno ciał stałych, jak i nadcieczy. Do tej pory supersolidy obserwowano jedynie w ultrazimnych gazach atomowych. Najnowsze badania dowodzą jednak, że podobne zjawisko może występować także wtedy, gdy wykorzystane zostanie światło laserowe.

Polecamy: Naukowcy ogłaszają przełom w badaniach nad antymaterią i grawitacją

Nowy stan materii – jak to możliwe?

Większość materii na Ziemi istnieje w jednym z czterech znanych stanów: stałym, ciekłym, gazowym lub plazmowym. Jednak w temperaturach bliskich zera absolutnego (−273,15 °C) mechanika kwantowa ujawnia nowe, nietypowe fazy materii.

Jedną z nich jest supersolid – stan, który ma sztywną strukturę jak ciało stałe. Jednocześnie może płynąć bez tarcia, podobnie jak nadciecz.

Aby lepiej zrozumieć, jak to możliwe, wyobraźmy sobie zatłoczony teatr, w którym dostępne są tylko trzy miejsca w pierwszym rzędzie: jedno na środku i dwa po bokach. Każdy chce usiąść na środku, bo to najlepsza miejscówka. W klasycznym świecie tylko jedna osoba może tam zająć miejsce.

Jednak w świecie kwantowym obowiązują inne reguły. Wiele osób może znajdować się w tym samym miejscu jednocześnie. Podobnie zachowują się cząstki bozonowe, które mogą dzielić ten sam stan kwantowy, tworząc tzw. kondensat Bosego-Einsteina.

W swoim eksperymencie naukowcy wykorzystali półprzewodnikowy materiał wykonany z arsenku galu. Jego struktura sprawiła, że światło laserowe zaczęło układać się w regularny wzór przypominający kryształ, ale jednocześnie mogło poruszać się bez oporu. Połączenie tych dwóch cech było kluczowym dowodem na powstanie supersolidu.

Udowodnienie nowego stanu materii

Osiągnięcie nowego stanu materii to dopiero połowa sukcesu. Naukowcy musieli jeszcze udowodnić, że światło w ich układzie rzeczywiście zachowuje się jak supersolid – czyli jednocześnie ma uporządkowaną strukturę i może swobodnie płynąć.

Aby to zweryfikować, badacze przeanalizowali rozmieszczenie fotonów w systemie. Okazało się, że tworzą one regularny wzór przypominający kryształ, a jednocześnie ich ruch pozostaje płynny i pozbawiony oporu.

Te dwie kluczowe cechy potwierdziły, że naukowcom faktycznie udało się stworzyć supersolid ze światła, czyli nowy stan materii – coś, co jeszcze niedawno wydawało się niemożliwe.

„To dopiero początek zrozumienia supersolidarności w napędzanych-rozpraszających, nieliniowych układach fotonicznych” – powiedział Antonio Gianfate z CNR Nanotec, cytowany przez portal Science Alert.

Co to oznacza dla nauki i technologii?

Odkrycie supersolidu stworzonego ze światła może mieć ogromne znaczenie nie tylko dla fizyki teoretycznej, ale także dla rozwoju nowych technologii.

Do tej pory supersolidy badano głównie w ultrazimnych gazach atomowych, co wymagało skomplikowanych eksperymentów. Teraz okazuje się, że światło laserowe może tworzyć podobne struktury, a ich badanie jest znacznie łatwiejsze i bardziej elastyczne.

Poza poszerzaniem naszej wiedzy o fizyce kwantowej to odkrycie ma również praktyczne zastosowania. Supersolidy fotoniczne mogą zostać wykorzystane w komputerach kwantowych do szybszego przetwarzania informacji. Z kolei w komunikacji optycznej do tworzenia bardziej wydajnych systemów przesyłu danych oraz w zaawansowanych materiałach, wspierając projektowanie nowoczesnych technologii na poziomie nanometrycznym.

Ponieważ światło jest kluczowym nośnikiem informacji, kontrolowanie jego stanów kwantowych może otworzyć drzwi do wynalazków, których jeszcze dziś nie potrafimy sobie wyobrazić.

Polecamy: Eksperyment z fotonami odkrywa ujemny czas. To zmienia naszą wiedzę o kwantowej rzeczywistości

Uważasz, że poruszamy ciekawe tematy?

Sprawdź, czego możesz spodziewać się w trakcie spotkania z nami na żywo. Już 5 kwietnia w Bielsku-Białej kolejna edycja konferencji Holistic Talk.

Organizowane przez redakcję Holistic News wydarzenie to możliwość wysłuchania wystąpień ze sceny. Mówcami edycji 2025 roku będą m.in.: dr Monika Wasilewska (psycholog), dr Tomasz Witkowski (psycholog), Marcin Możdżonek (sportowiec i myśliwy), Jacek Piekara (pisarz) i wielu innych. Pełny program znajdziesz TUTAJ.

Zostały już ostatnie miejsca na naszą konferencję. A bilety są w wyjątkowej cenie 209 zł. Z kodem: HNHT2 czytelnicy Holistic News otrzymują dodatkowo 33% zniżki od aktualnej ceny.

Do zobaczenia w Cavatina Hall w Bielsku-Białej!
Redakcja Holistic News