Naučnici prvi put pretvaraju svetlost u „superčvrsti“ materijal – šta to znači i zašto je važno

Naučnici su prvi put transformisali svetlost u kvantnu kristalnu strukturu radi stvaranja „superčvrstog“ materijala koji je i čvrst i tečan istovremeno.

Iako su naučnici ranije napravili superčvrste materijale od atoma, ovo je prvi slučaj spajanja svetlosti i materije radi stvaranja superčvrstog materijala i otvara nove puteve za istraživanje fizike kondenzovane materije.

Preporučujemo

Superčvrsti materijali predstavljaju neobično stanje materije definisano kvantnom mehanikom: čestice kondenzovane u uređen, kristalni čvrsti materijal, ali se takođe kreću kao tečnost bez viskoznosti (viskoznost se odnosi na unutrašnje trenje supstance, što određuje glatkoću toka).

Obično se čvrsti materijali ne kreću samostalno, ali superčvrsti materijali menjaju pravac i gustinu zavisno od interakcija čestica dok zadržavaju organizovanu strukturu rešetke.

Formiranje superčvrstih materijala zahteva ekstremno niske temperature – obično veoma blizu apsolutne nule (minus 273,15 stepeni Celzijusovih. Većina čestica mora da zauzme najniže dostupno energetsko stanje, a toplota tera čestice da skaču gore-dole.

Ako je materijal dovoljno hladan, temperatura ne ometa interakcije čestica. Naprotiv, maleni efekti kvantne mehanike postaju određujući faktori u ponašanju materijala.

Tečnost bez viskoznosti

Viskoznost je mera koliko lako fluid menja svoj oblik. Fluid sa većom viskoznošću ima tendenciju da bude fiksiraniji i opire se kretanju, kao što sirup izlazi sporije iz posude nego voda. Svi fluidi, osim superfluida i superčvrstih materijala, imaju neki stepen viskoznosti.

Najpoznatiji primer fluida bez viskoznosti je helijum ohlađen na temperature od nekoliko stepeni do apsolutne nule. Čestice nisu potpuno mirne na nivou apsolutne nule – malo se mrdaju usled principa neodređenosti. U slučaju izotopa helijum-4, mrdaju se mnogo, dovoljno da uzorak helijuma-4 ne može postati čvrst na nivou apsolutne nule, osim ako je primenjen pritisak od oko 25 atmosfera kako bi se čestice sabile zajedno.

Mrdanje helijuma-4 na apsolutnoj nuli i drugi kvantni fenomeni izazivaju neke drastične promene u ponašanju fluida. Prestaje da ima trenje (i stoga nema viskoznost) i može brzo da isteče iz kontejnera, pored ostalog.

Kako pretvoriti svetlost u superčvrst materijal?

Superčvrsti materijali su ranije napravljeni od atomskih gasova. Međutim, novo istraživanje je upotrebilo novi mehanizam koji se oslanja na svojstva polaritonskih sistema.

Polaritoni se formiraju spajanjem fotona (svetlost) i kvazičestica poput ekscitona putem snažnih elektromagnetnih interakcija. Njihova svojstva im omogućavaju da se kondenzuju na najnižem mogućem energetskom stanju slično nekim atomskim gasovima. Drugačije rečeno, svetlost je spojena sa materijom i zajedno se mogu kondenzovati u superčvrsti materijal.

Izučavanje superčvrstih materijala je značajno jer pokazuju efekte malenih, kvantnih interakcija između čestica bez temperature kao smetnje. Kad mapiramo ponašanje i karakteristike superčvrstih materijala, zapravo gledamo kako se atomi i čestice sastavljaju. To nam pruža znanje o svetu u kom živimo na fundamentalnom nivou.

Uz dalje istraživanje i razvoj, superčvrsti materijali se mogu koristiti za kvantno računarstvo, superprovodnike, lubrikante bez trenja i u svrhe o kojima još nismo ni počeli da razmišljamo. Ima mnogo mogućnosti koje tek treba da otkrijemo, a pravljenje superčvrstog materijala od svetlosti je veliki korak napred.

(Telegraf Nauka/Live Science)