Supersolid pada Suhu Bilik Membentuk Jalur dalam Bendalir Kuantum Cahaya

Bendalir kuantum yang membentuk jalurnya sendiri

Pasukan Universiti Warsaw melaporkan kejayaan menghasilkan fasa supersolid dalam bendalir kuantum cahaya menggunakan mikrorongga optik yang mengandungi kristal cecair dan semikonduktor organik. Para penyelidik menghuraikan kondensat yang membentuk jalur ketumpatan dengan jarak sekata, sambil mengekalkan ciri-ciri yang dikaitkan dengan superbendalir. Ini membawa gabungan sifat kuantum yang luar biasa ke dalam sistem yang dikatakan beroperasi pada suhu bilik.

Reka bentuk eksperimen ini menggabungkan kristal cecair nematik dengan dua lapisan polimer poli(p-fenilena) jenis tangga tersubstitusi metil, yang dikenali sebagai MeLPPP. Cahaya dan pengujaan elektronik dalam polimer itu bergandingan dengan cukup kuat untuk membentuk polariton eksiton, entiti hibrid yang boleh berkumpul dalam keadaan kuantum bersama.

Senarai penerbitan IBM Research mengenal pasti kajian itu sebagai makalah Science Advances dan bertarikh 16 Oktober 2026. Huraian kajian melaporkan bahawa jalur muncul pada kedudukan berbeza setiap kali kondensat terbentuk, walaupun terdapat potensi gangguan rawak. Para penyelidik turut melaporkan vorteks yang muncul secara rawak, satu lagi ciri yang dikaitkan dengan superbendalir.

Perihal suhu perlu dinyatakan dengan teliti. Huraian kajian menyebut pencapaian supersolid pada suhu bilik, manakala laporan yang mengiringinya menyatakan gandingan kuat antara cahaya dengan jirim berlaku sekitar 60 darjah Celsius. Suhu tepat ketika pemerhatian supersolid dibuat tidak dinyatakan dalam ringkasan akademik. Kedua-dua huraian meletakkan kajian ini jauh di atas suhu yang hampir kepada sifar mutlak, yang digunakan untuk menghasilkan supersolid atom ultra-sejuk.

Apakah yang menjadikan supersolid luar biasa?

Kristal biasa mempunyai susunan jirim yang berulang. Superbendalir ialah bendalir kuantum yang boleh mengalir tanpa rintangan biasa yang dikaitkan dengan kelikatan. Supersolid menggabungkan susunan ruang yang menyerupai kristal dengan tingkah laku kuantum kolektif yang dikaitkan dengan superbendalir.

Dalam penggunaan harian, perkataan pepejal boleh mengelirukan. Dalam konteks ini, struktur berulang itu ialah corak ketumpatan dalam bendalir kuantum. Eksperimen ini melibatkan kondensat pengujaan hibrid cahaya dan jirim di dalam peranti optik, bukannya objek tegar yang biasa ditemui.

Kondensat Bose-Einstein terbentuk apabila banyak zarah atau pengujaan boson menduduki keadaan kuantum bersama dan berkelakuan secara kolektif. Satu gambaran yang berguna ialah sekumpulan orang yang bergerak seirama: tingkah laku kolektif menjadi perkara utama, bukannya setiap individu bertindak sendiri. Dalam kondensat polariton, cahaya yang dipancarkan oleh peranti membolehkan para penyelidik mengkaji keadaan kolektif itu.

Eksperimen atom ultra-sejuk membuktikan kewujudan tingkah laku supersolid pada 2017. Sistem tersebut menggunakan suhu yang amat rendah untuk menonjolkan tingkah laku kuantum pada skala kolektif. Pendekatan Warsaw menggunakan polariton eksiton untuk mengkaji fizik berkaitan dalam julat suhu yang berbeza dan dengan platform eksperimen yang berlainan.

Bagaimana kristal cecair membentuk kondensat

Mikrorongga itu memerangkap cahaya supaya ia dapat berinteraksi dengan kuat dengan eksiton dalam lapisan MeLPPP. Eksiton ialah pengujaan elektronik yang terdiri daripada elektron dan kekosongan bercas positif, atau lohong, yang ditinggalkannya. Gandingan kuat mencampurkan keadaan cahaya dan eksiton menjadi polariton eksiton.

Polariton menggabungkan jisim berkesan yang sangat kecil, diwarisi daripada cahaya, dengan interaksi yang diwarisi daripada komponen jirimnya. Jisim berkesan menerangkan tindak balas sesuatu pengujaan terhadap perubahan gerakannya di dalam bahan. Jisim berkesan yang kecil itu membantu menjelaskan sebab pemeluwapan polariton boleh berlaku pada suhu yang jauh lebih tinggi berbanding pemeluwapan dalam gas atom.

Kristal cecair nematik mempunyai molekul yang cenderung berkongsi orientasi pilihan. Dalam peranti ini, ia menghasilkan apa yang disebut oleh para penyelidik sebagai gandingan spin-orbit Rashba-Dresselhaus. Secara ringkas, rongga itu menghubungkan sifat polarisasi cahaya dengan cara polariton bergerak.

Hubungan tenaga dan momentum yang terhasil mempunyai dua minimum berbeza pada tenaga yang sama. Kedua-duanya ialah dua kedudukan yang sama-sama sesuai untuk pemeluwapan berlaku. Pengisian keadaan tersebut menyediakan asas bagi kondensat bermodulasi ruang yang dihuraikan dalam kajian itu.

Mengapa kedudukan jalur penting

Cahaya yang dipancarkan menunjukkan jalur terang yang teratur, menandakan perubahan berkala dalam ketumpatan kondensat. Jarak antara jalur membentuk susunan berulang yang dikaitkan dengan fasa supersolid. Kedudukannya yang berubah antara kondensat berturutan memberikan satu lagi maklumat penting kepada para penyelidik.

Huraian akademik menyatakan bahawa jalur muncul pada kedudukan rawak antara satu pembentukan kondensat dengan yang lain. Dalam setiap pembentukan, sistem memilih kedudukan tertentu untuk coraknya. Ahli fizik menyebutnya sebagai pemecahan simetri translasi secara spontan: sistem yang membolehkan pelbagai kedudukan akan menetap pada satu susunan ruang tertentu.

Perbandingan mudahnya ialah corak berulang yang boleh beralih ke kiri atau kanan tanpa mengubah jarak antara jalurnya. Apabila kondensat terbentuk, corak itu berada pada satu kedudukan. Apabila eksperimen menghasilkan kondensat lain, jalurnya boleh menetap di tempat yang berbeza.

Para penyelidik melaporkan bahawa tingkah laku ini kekal walaupun terdapat potensi gangguan rawak, iaitu variasi tidak sekata dalam keadaan yang dialami polariton. Mereka mentafsirkan pemerhatian itu sebagai bukti bahawa jalur tahan terhadap gangguan tersebut dan kedudukannya dipilih secara spontan.

Vorteks menambah satu lagi ciri kepada bendalir kuantum yang dilaporkan itu. Vorteks ialah struktur berpusar yang fasa kuantumnya, iaitu pemasaan gelombang kolektif, berputar mengelilingi satu titik pusat. Kajian itu melaporkan vorteks muncul secara rawak bersama corak ketumpatan berjalur, menghubungkan susunan ruang dengan tingkah laku yang lazim dalam superbendalir.

Cadangan lain meramalkan corak yang lebih besar

Satu pracetakan teori bertarikh Julai 2024, bertajuk Supersolidity of polariton condensates in photonic crystal waveguides, mengkaji satu lagi pendekatan untuk menghasilkan supersolid polariton. Kajian itu mencadangkan struktur yang memandu cahaya dalam satu dimensi dan mempunyai permukaan bercorak berkala.

Kedua-dua usaha penyelidikan itu melibatkan peranti dan mekanisme yang berbeza. Cadangan 2024 menggunakan pandu gelombang kristal fotonik dan penyerakan tak linear antara mod polariton. Eksperimen kristal cecair yang dilaporkan menggunakan mikrorongga, dengan gandingan spin-orbit menghasilkan dua minimum tenaga untuk pemeluwapan.

Pengiraan pandu gelombang itu meramalkan bahawa polariton yang pada mulanya memeluwap pada momentum sifar boleh menyerak ke mod bermomentum terhingga apabila input optik meningkat. Momentum menerangkan gerakan yang dikaitkan dengan mod tersebut. Pancaran gabungannya boleh menghasilkan corak ruang yang teratur, dengan kedudukan corak itu dipilih secara spontan dalam keadaan yang sesuai.

Modulasi yang diramalkan mempunyai vektor gelombang kira-kira tambah atau tolak 0.3 per mikrometer, bersamaan dengan tempoh ruang kira-kira 21 mikrometer. Tempoh kristal fotonik yang mendasarinya pula sekitar 0.25 mikrometer. Membahagikan 21 dengan 0.25 menghasilkan kira-kira 84, jadi corak ketumpatan yang diramalkan berulang pada skala sekitar 84 kali lebih besar daripada corak permukaan yang direka.

Perbandingan itu menjelaskan satu ciri penting cadangan tersebut: corak kolektif mempunyai skala panjangnya sendiri, yang ditentukan oleh mod polariton yang terlibat dalam penyerakan. Para penyelidik turut melaporkan pengiraan yang menunjukkan titik penyerakan berkaitan boleh dikawal melalui kuasa input.

Dua ambang dan 300 ujian berangka

Teori 2024 mengenal pasti perubahan pada cahaya yang dipancarkan sebagai petunjuk praktikal untuk dicari dalam eksperimen. Pengiraannya membezakan ambang pemeluwapan awal daripada ambang tambahan yang dikaitkan dengan penyerakan tak linear ke dalam mod lain. Ambang ialah paras input apabila tingkah laku baharu bermula.

Apabila gandingan linear bukan sifar menghubungkan mod yang berkaitan, pancaran daripada cabang tambahan boleh menunjukkan dua ambang: satu bertepatan dengan pemeluwapan awal, manakala satu lagi muncul pada input yang lebih tinggi. Tanpa gandingan linear itu, cabang tambahan sebaliknya menunjukkan satu ambang tak linear yang dikaitkan dengan penyerakan.

Pengiraan itu turut menghubungkan kebebasan memilih kedudukan jalur dengan keadaan gandingan. Dalam kes tanpa gandingan linear antara mod tersebut, modulasi mengambil kedudukan berbeza dalam setiap simulasi berangka. Kajian itu menilai pemilihan spontan tersebut menggunakan 300 simulasi stokastik, iaitu simulasi dengan turun naik rawak yang berbeza.

Setiap simulasi menghasilkan modulasi berkala, tetapi fasa coraknya tersebar merentasi keseluruhan julat nilai yang mungkin. Purata bagi lebih banyak simulasi mengurangkan modulasi yang kelihatan kerana jalur pada kedudukan berbeza saling menghapuskan. Hasil ini menunjukkan sebab pentingnya mengkaji kondensat secara individu apabila keadaan kolektif memilih susunan ruangnya sendiri.

Rangkaian penyelidikan ini merangkumi dua pencapaian berbeza:

• Julai 2024: Pracetakan teori mencadangkan supersolid dalam pandu gelombang kristal fotonik, termasuk ambang pancaran dan ujian berangka pembentukan corak spontan.
• 16 Oktober 2026: Senarai IBM Research menyatakan tarikh kajian Science Advances yang melaporkan fasa supersolid pada suhu bilik dalam mikrorongga kristal cecair.

Perubahan kepada fotonik kuantum

Sistem polariton beroperasi dengan zarah yang terus memasuki dan meninggalkan keadaan kolektif. Laporan yang mengiringinya menyatakan jangka hayat polariton hanya beberapa pikosaat, dengan satu pikosaat bersamaan satu per trilion saat. Pengujaan optik membekalkan semula sistem apabila zarah mereput dan cahaya terlepas.

Ahli fizik menyebutnya sebagai sistem dipacu-lesap: sumber luaran membekalkan tenaga, sementara peranti kehilangan tenaga dan pengujaan. Dalam teori pandu gelombang, keadaan mantap terhasil daripada keseimbangan antara penguatan, kehilangan dan interaksi. Corak kolektif dikekalkan melalui keseimbangan berterusan itu.

Gabungan suhu yang mudah dicapai dengan bacaan optik menjadikan mikrorongga yang dilaporkan itu platform yang berguna untuk mengkaji bendalir kuantum tersusun. Para penyelidik boleh meneliti corak ketumpatan melalui cahaya yang dipancarkan, manakala kristal cecair menyediakan cara untuk membentuk struktur tenaga polariton.

Antara potensi aplikasi yang dibincangkan berkaitan kajian ini ialah komponen fotonik pantas dan pemecut pengkomputeran neuromorfik, yang memproses maklumat menggunakan susunan yang diinspirasikan oleh sistem saraf. Tarikan utamanya ialah keadaan optik yang saling berinteraksi boleh bertindak secara kolektif dan tak linear, lalu menghasilkan perubahan tingkah laku yang besar apabila input melepasi ambang.

Pencapaian yang dilaporkan ialah penghasilan dan pemerhatian fasa kuantum. Untuk menjadikan fizik itu komponen pengkomputeran, penyelidik perlu mengawal cara keadaan tersebut terbentuk, kedudukan coraknya dan tindak balasnya terhadap input. Kedudukan jalur yang rawak amat penting: pemilihan spontan ialah bukti fizik yang bernilai, tetapi peranti pemprosesan maklumat memerlukan cara yang boleh diharap untuk menggunakan atau mengawal pilihan tersebut.

Kerja eksperimen dan teori ini bersama-sama memberikan gambaran yang lebih terperinci berbanding jika dilihat secara berasingan. Kajian mikrorongga menghuraikan kondensat berjalur dan vorteks pada suhu yang mudah dicapai. Cadangan pandu gelombang pula menyediakan pengiraan bagi mekanisme berbeza, termasuk skala corak, ambang pancaran dan ujian statistik. Bersama-sama, kedua-duanya memperluas jenis struktur optik yang boleh digunakan untuk mengkaji tingkah laku supersolid.

Perkara Utama

• Pasukan Universiti Warsaw melaporkan kondensat polariton supersolid dalam mikrorongga yang mengandungi kristal cecair nematik dan dua lapisan polimer MeLPPP.
• Jalur ketumpatan yang dilaporkan memilih kedudukan berbeza dalam setiap pembentukan kondensat dan kekal walaupun terdapat potensi gangguan rawak.
• Kajian itu turut melaporkan vorteks yang muncul secara rawak, satu ciri yang dikaitkan dengan superbendalir.
• Ringkasan akademik menyatakan operasi pada suhu bilik; laporan yang mengiringinya meletakkan gandingan kuat sekitar 60 darjah Celsius.
• Satu cadangan teori berasingan dari Julai 2024 meramalkan corak pandu gelombang dengan tempoh kira-kira 21 mikrometer dan menganalisis 300 simulasi berangka.
• Pengkomputeran fotonik ialah satu kemungkinan aplikasi, manakala hasil utama kajian ini ialah pembentukan dan tingkah laku keadaan kuantum yang luar biasa.