W płynach światła można uzyskać długie złącze Josephsona

W polarytonowych płynach światła możliwe jest uzyskanie także specjalnego, dynamicznego stanu cieczy kwantowej zwanego długim złączem Josephsona – pokazali w artykule opublikowanym w czasopiśmie „Nature Photonics” badacze z Instytutu Fizyki PAN we współpracy z grupą doświadczalną z instytutu CNR Nanotec w Lecce we Włoszech. Złącze takie charakteryzuje się rozmiarem przewyższającym wielokrotnie charakterystyczną skalę długości, odpowiadającą międzyatomowym oddziaływaniom w układzie kwantowym.

swiatlo-big.jpg

Nadprzewodnictwo i nadciekłość oraz związane z nimi zjawisko kondensacji Bosego-Einsteina (ang. BEC) są rzadko spotykanymi na co dzień demonstracjami fizyki kwantowej w skali większej od rozmiaru pojedynczych cząsteczek. Jedną z ich konsekwencji jest efekt Josephsona, występujący na granicy dwóch ośrodków nadprzewodzących oddzielonych na przykład barierą w postaci cienkiej warstwy izolatora. Efekt ten jest wykorzystywany w praktycznych zastosowaniach, miedzy innymi w precyzyjnych magnetometrach (ang. SQUID), które są integralnym składnikiem medycznych skanerów wykorzystujących metodę ultraczułego rezonansu magnetycznego do obrazowania tkanek (ang. MRI). Jednakże obecnie wykorzystanie efektu Josephsona ogranicza wymagane chłodzenie układu pomiarowego do temperatur kriogenicznych, co zwiększa koszt i stopień komplikacji takich urządzeń. Fakt ten zainspirował badania systemów, w których nadciekłość i analogiczne efekty kwantowe można zrealizować w temperaturze pokojowej.

W ostatniej dekadzie rozwój badań nanomateriałów zrodził koncepcję nowego stanu fizycznego, będącego wynikiem oddziaływania materii i światła, nazywanego kwantowym płynem światła (ang. fluid of light). Jest on 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 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 zachowującymi się jak słynny "kot Schrödingera". Ich stan kwantowy zawiera dwie alternatywy: kot żywy, gdy ekscyton istnieje, lub kot martwy, 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 Instytutu Fizyki 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. Ponadto, przedstawione badania stanowią ważny krok na drodze do zastosowań płynów światła w praktyce, na przykład 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.

 

Źródło: Instytut Fizyki PAN