Polscy fizycy zaobserwowali fazę nadstałą polarytonów w temperaturze pokojowej

Gdy naukowcy wysyłali pojedynczy impuls lasera, jasne pasy światła formowały się w uporządkowany wzór - jednak gdy obraz uśredniano z wielu takich impulsów, kontrast wyraźnie się zacierał. Marcin Muszyński wraz ze współpracownikami wykazał, że przy odpowiednio wysokiej gęstości kondensat samodzielnie decyduje, gdzie dokładnie ułoży się ten wzór. Badacze określili to zjawisko jako obserwację fazy nadstałej, czyli stanu, w którym porządek przypominający strukturę krystaliczną współistnieje z nadciekłością - zdolnością do przepływu bez utraty energii na rozpraszanie. Praca ukazała się 16 października 2026 roku w czasopiśmie Science Advances.

Co powstało między dwoma zwierciadłami?

Pytanie, czy można zbudować układ zdolny jednocześnie do nadciekłego przepływu i samoistnego tworzenia regularnego rozkładu gęstości, nurtowało fizyków od lat. Pierwsze przesłanki takiego zachowania pojawiły się już w 2017 roku w eksperymentach z ultrazimnymi gazami atomowymi. W nowym badaniu rolę atomów odegrały polarytony ekscytonowe - krótkożyjące kwazicząstki, które rodzą się, gdy światło bardzo silnie sprzęga się z ekscytonami. Ponieważ polarytony mają składową fotonową, zachowanie całego kondensatu da się odczytać bezpośrednio z jasności i polaryzacji światła wysyłanego przez próbkę.

Konstrukcja eksperymentu polegała na umieszczeniu ciekłego kryształu oraz dwóch warstw organicznego półprzewodnika MeLPPP pomiędzy zwierciadłami, które zamykały światło we wnęce optycznej. Każda warstwa polimeru liczyła sobie zaledwie 35 nanometrów grubości. Polarytony żyły jedynie kilka pikosekund, ale impuls lasera wysłany w precyzyjnie dobranym momencie pozwolił im utworzyć kondensat Bosego-Einsteina - stan, w którym ogromna liczba kwazicząstek zachowuje się jak pojedyncza fala kwantowa. Kondensat ukształtował się w dwóch stanach o identycznej energii, lecz przeciwnych pędach, a nakładające się fale wytworzyły naprzemiennie obszary o większej i mniejszej gęstości.

Co mówią prążki?

Regularne odległości między powstałymi prążkami potwierdzały uporządkowanie kondensatu, ale sama ta informacja nie wystarczała - trzeba było jeszcze ustalić położenie całego wzoru. Okazało się, że przy wysokiej gęstości kondensatu kolejne impulsy generowały wzór w losowo zmieniających się miejscach, choć układ pasów pozostawał regularny. To klasyczny przykład spontanicznego złamania symetrii przesunięcia - kondensat sam wybiera jedną z wielu równoważnych pozycji wzoru. Badacze zaobserwowali również, że polaryzacja emitowanego światła zmieniała się okresowo.

Tuż nad progiem kondensacji prążki znacznie częściej pojawiały się w tych samych, powtarzalnych miejscach - naukowcy przypisali to wpływowi defektów próbki na kondensat o niższej gęstości. Symulacje pokazały natomiast, że prążki przestawały „trzymać się” tych konkretnych lokalizacji, gdy energia oddziaływań między polarytonami zaczynała dorównywać energii związanej z niedoskonałościami materiału.

To gigantyczny przełom

Samo zjawisko nadstałości polarytonów w temperaturze pokojowej nie jest zupełnie nowe - opisano je już w marcu 2026 roku na łamach Nature Nanotechnology. Tamten zespół pracował jednak na krysztale perowskitu połączonym z nanosiatką, podczas gdy w nowym eksperymencie fazę tę uzyskano w układzie z ciekłym kryształem, którego właściwości optyczne można regulować polem elektrycznym. Odkrycie otwiera drogę do nowej generacji bardzo precyzyjnych czujników optycznych, a także do zastosowań w obliczeniach optycznych - tym bardziej że IBM zaprezentował już organiczny tranzystor polarytonowy, przełączany światłem w czasie krótszym niż jedna pikosekunda. Istotny jest fakt, że w badaniu uczestniczył ośrodek IBM Research w Zurychu, co samo w sobie podkreśla wagę odkrycia.

To właśnie w Zurychu wykonano bezpośrednie pomiary na strukturach zaprojektowanych przez Wojskową Akademię Techniczną. Fakt, że cały układ działa w temperaturze pokojowej, radykalnie poszerza zakres jego możliwych zastosowań - nie tylko w laboratoriach i maszynach kwantowych, ale również w warunkach znacznie bliższych codziennemu otoczeniu człowieka.