Forme ciudate ale materiei: lumina lichidă16 min read

O stare de agrerare rară a materiei în care fotonii devin superfluizi va fi mai ușor de obținut și cercetat

Printre numeroasele concepte aparent bizare introduse de fizica cuantică, unde regulile care funcționează la nivelul lumii vizibile nu mai se aplică, precum pisica lui Schrodinger, există și unele care sunt mult mai puțin celebre – cel mult auzi de ele prin vreun sitcom pentru tocilari, cel mai adesea rămân în studii științifice. Lumina care se comportă ca un lichid e un astfel de concept.

Existența luminii lichide este destul greu de înțeles. Lumina nu are masă, apele nu luminează pe cont propriu. În fapt, denumirea de lumină lichidă este ușor înșelătoare, pentru că se referă la fotoni care ajung într-o stare de agregare superfluidă. Această stare are, într-adevăr, câteva similarități cu lichidele, însă este diferită. Ea este legată de o altă formă de existență a materiei, condensatul Bose-Einstein, care este atât de importantă pentru cercetători încât mai este numită câteodată „a cincea stare fundamentală de agregare”.

Bose și Einstein, cu șapte decenii mai rapizi decât tehnologia

Condensatul Bose-Einstein (CBE)„Bose-Einstein condensate”, britannica.com este o stare de agregare exotică a materiei. Pe lângă cele patru stări de agregare fundamentale – solidă, lichidă, gazoasă și plasmă – există un număr mai mare de stări care apar doar în condiții extrem de specifice și au proprietăți mai puțin comune, printre care se numără și CBE.

Numele vine, evident, parțial de la arhicunoscutul fizician care i-a prezis existența în 1924, dar și de la un fizician indian mai puțin renumit în rândul publicului larg, Satyendra Nath Bose, autorul modelului pe baza căruia Einstein a prezis această stare exotică a materie. După Bose aveau să fie numiți ulterior și bosonii, singurul tip de particule subatomice fundamentale care pot ajunge în starea de CBE. Fotonii, particulele elementare responsabile pentru toate fenomenele electromagnetice, inclusiv pentru lumină, sunt parte a grupului bosonilor și sunt eligibili pentru această stare de agregare.

În contrast, celălalt grup major de particule subatomice, fermionii (din care fac parte, de exemplu, electronii) tind să se evite între ei și vor avea mereu stări cuantice diferite.

Fiind un concept care ține de fizica cuantică, definirea Condensatului Bose-Einstein este destul de complexă. O explicație simplificată la maximă este că această stare a materiei este observată atunci când un grup de bosoni ajung să se comporte identic, astfel încât, din punctul de vedere al mecanicii cuantice, ar putea identificați ca o singură superparticulă.

Einstein a prezis că acest fenomen poate avea loc atunci când particulele sunt răcite până aproape de temperatura minimă absolută, 0 Kelvin ( −273.15 °C). În astfel de condiții de energie foarte scăzută, toți bosonii individuali dintr-un grup pot exista concomitent la cel mai scăzut nivel de energie posibil din sistemul respectiv, iar diferențele dintre ei dispar și ajung să împartă, practic, aceeași identitate cuantică.

Tehnologia necesară pentru putea obține un CBE în laborator avea să fie dezvoltată de abia după șapte decenii. În 1995, fizicienii americani Eric Cornell și Carl Wiemann au reușit să facă un condensat Bose-Einstein dintr-un gaz de atomi de rubidiu răcit până aproape de minimul absolut, în timp ce germanul Wolfgang Ketterle a oglindit descoperirea la scurt timp după cu atomi de sodiu; cei trei aveau să primească Premiul Nobel pentru Fizică în 2001 pentru aceste descoperiri.„The Nobel Prize in Physics 2001”, nobelprize.org

Cea mai fluidă lumină din univers

În afara bosonilor, legătura principală dintre CBE și lumina lichidă este o altă stare exotică a materiei, superfluiditatea,„Superfluidity”, britannica.com care apare în condiții termice apropiate de Zero absolut. Un material superfluid are vâscozitate zero și curge încontinuu fără a-și pierde din energia kinetică, formând vortexuri care se învârt constant.

Una dintre cele mai excentrice proprietăți ale unui lichid superfluid este că acesta poate „scăpa” în anumite condiții din containerul în care e ținut, de exemplu printre spațiile extrem de mici dintre atomii din sticlă, sau poate chiar „urca” pe cont propriu pe marginile containerului.

Superfluiditatea și condensarea Bose-Einstein nu au o legătură directă – un superfluid nu trebuie neapărat să fie un CBE și invers, însă există multe cazuri în care ambele proprietăți sunt exprimate concomitent.

În 2010, un studiu publicat de fizicieni francezi în jurnalul Physical Review Letters„Superfluid Motion of Light”, aps.org a demonstrat teoretic că fotonii ar putea atinge un stadiu de superfluiditate, comportându-se în același timp similar unui gaz intrat în starea de CBE. Dezavantajul era, desigur, că, pentru a confirma teoria, viitoarele experimente trebuiau să răcească fotonii până aproape de temperatura minimă absolută. Ceea ce era dificil și scump.

Un succes semnificativ a fost înregistrat însă, în 2013, când o echipă de cercetători de la Centrul IBM de Nanotehnologie Binnig și Rohrer din Zurich, Elveția,„Bose-Einstein Condensate Made at Room Temperature for First Time”, ieee.org au reușit să obțină un CBE la temperaturi normale, prin folosirea unui laser pe un ansamblu format din două oglinzi cu reflectivitate extrem de ridicată, cu o peliculă foarte fină de polimer între acestea. Bosoni cu aceeași identitate cuantică au fost creați atunci când lumina laserului a început să se reflecte încontinuu între cele două oglinzi și peliculă.

Această metodă a stat la baza unei alte descoperiri, în 2017, atunci când o echipă internațională de cercetători a reușit să obțină pentru prima dată și un superfluid la temperatura camerei.„Room-temperature superfluidity in a polariton condensate”, nature.com (PDF) De data aceasta, între oglinzi a fost folosită o peliculă din molecule organice. Pentru experiment, cercetătorii au creat polaritoni,„Polariton”, britannica.com cvasiparticule compuse jumătate din lumină și jumătate de materie formate în urma interacțiunilor dintre fotoni și anumite tipuri de electroni.

Polaritonii s-au comportat atât ca un superfluid, cât și ca un condensat Bose-Einstein. Practic, asta înseamnă că polaritonii aflați în mișcare, care creează ondulații oarecum similare valurilor de apă atunci când se deplasează în condiții normale, au creată o undă netedă, care-și continuă traseul nealterat chiar și atunci când întâmpină obstacole.

Mișcarea polaritonilor comparată între starea lor normală (sus) și starea de condensat Bose-Einstein. Polytechnique Montreal

Cea mai recentă descoperire despre lumina lichidă a venit în toamna lui 2021, de la o echipă de cercetători de la Universitatea din Twente, Țările de Jos.„Scientists Bemused to Find Liquid Light at Room Temperature, interestintengineering.org/ Într-un experiment, aceștia au folosit un interferometru, o structură formată din oglinzi cu reflectivitate de 99,984% care dispune de mai multe canale prin care lumina superfluidă a fost lăsată să curgă, cu scopul de a observa modul în care se comportă particula superfluidă pe canale diferite (de exemplu, dacă preferă să se scurgă pe un canal închis sau pe unul care duce spre exteriorul structurii).

Autorii au observat că valul de fotoni a preferat să folosească canalul complet închis, cel care îi aducea cele mai puține pierderi și îi prezerva structura. Conform cercetătorilor, asta ar fi dovadă a unui „comportament social” al particulelor. De această proprietate s-ar putea profita în viitoarele computere cuantice, de exemplu pentru realizarea unor rețele complexe de transmitere a fotonilor aflați în starea de condensat Bose-Einstein.

Interesant, dar la ce folosește?

Computerele cuantice sunt teoretizate și se află în lucru de mulți ani, dar sunt încă destul de departe de a fi folosite pentru aplicații practice. Lumina lichidă ar putea, între timp, să ajute la dezvoltarea unor componente electronice convenționale, precum semiconductorii.

În 2016, cercetători de la Universitatea din Cambridge au creat un comutator pe bază de polaritoni „Liquid light switch could enable more powerful electronics”, sciencedaily.com care este conductiv pentru semnale electro-optice la viteze foarte ridicate. Acest tip de componentă ar putea ocupa mult mai puțin spațiu pe un chip și ar putea fi o soluție de depăși  limitările fizice care împiedică creșterea eficienței semiconductorilor.

Autorii studiului care au reușit să obțină primul superfluid la temperatura camerei au sugerat că tehnologia ar putea fi folosită, printre altele, pentru a dezvolta variante mai eficiente ale echipamentelor pe bază de laser (mai ales în medicină), ale unor electronice pe bază de LED-uri și chiar pentru panouri solare.

Dar probabil că cel mai mare impact pe care lumina lichidă îl va avea pe termen scurt și mediu va fi tocmai în cercetarea condensatului Bose-Einstein și a superfluidității. Ceea ce ar putea părea deocamdată subiecte destul de nișate, însă s-ar putea dovedi cruciale pentru înțelegerea universului și a fenomenelor naturale. De exemplu, dacă s-ar adeveri teoriile conform cărora materia întunecată – acel tip de materie despre care să bănuiește că ar alcătui 85% din toată materia din univers – ar putea fi, la rândul ei, superfluidă. „Phenomenological consequences of superfluid dark matter with baryon-phonon coupling”, iop.org