Szobahőmérsékleten folyadékká alakítható a fény

Majdnem egy évszázaddal az indiai zseni felfedezése után egy film, két tükör és egy lézer alkalmazásával valóra vált az örökké kavargó, szuperfolyadékká alakított fény, amely a kvantumszámítógépektől az energiatárolásig rengeteg problémát megoldhat.

A húszas évek elején Satyendra Nath Bose indiai fizikus elküldte egy tanulmányát Albert Einsteinnek. Ebben a feketetest-sugárzásra vonatkozó Planck-törvényt úgy vezette le, hogy a fényt fotonokból álló gázként kezelte. Einstein kiterjesztette Bose elméletét, és azt az előrejelzést adta, hogy abszolút nulla fokra hűtve a részecskék a legalacsonyabb kvantumállapotba kerülnek, és ez az anyag egy új formáját eredményezi, amely nem a klasszikus fizika, hanem a kvantumfizika törvényei szerint viselkedik. Ezt az anyagot Bose–Einstein-kondenzációnak nevezzük, és jellemzően szupravezető és szuperfolyékony tulajdonságai vannak (például zéró kinetikus ellenállása miatt ha felkavarják, örökké kavarog).

A Bose–Einstein-kondenzációt híg, gázállapotú bozonok alkotják. A bozonok az elemi részecskék Bose-ról elnevezett csoportja, közéjük tartoznak a fényt alkotó fotonok. Az anyagnak ezt a formáját először 1995-ben sikerült laboratóriumban előállítani – a kísérlet végrehajtói, Cornell, Wieman és Ketterle 2001-ben Nobel-díjat kapott érte.

A kanadai Polytechnique Montréal és az olasz CNR nanotechnológiai intézet 2017-es közös kísérletében azonban nem volt szükség különleges hűtőapparátusra. A kutatók szerves molekulákból álló ultravékony filmréteget helyeztek két tükör közé, majd 35 femtoszekundumos (10^-15 másodperc) lézerimpulzussal bombázták.

A munkánk rendkívüli eredménye, hogy demonstráltuk, hogy szobahőmérsékleten is létezhet polaritonoknak nevezett fényanyagrészecskékből álló szuperfolyadék

– mondta Daniele Sanvitto, a CNR Nanotec munkatársa.

A kutatók szerint a

fotonok egy félvezetőben kölcsönhatásba lépnek az excitonnak nevezett elektron-lyuk párokkal. A dipólusos excitonok az elektromágneses térben erősen kötődnek a fotonhoz, aminek a végeredménye a polariton, amely egy félig anyag, félig fény kvázirészecske, amely szuperfolyadékként viselkedik szobahőmérsékleten.

Ezt az anyagot nevezik folyékony fénynek, és sok fontos felhasználási területen alkalmaznák:

• megoldhatja a hagyományos tranzisztoros chipek adatátviteli problémáját;
• egy 2018-as tanulmány szerint a világegyetem anyagának túlnyomó részét képező sötét anyag szintén szuperfolyadék, a sötét anyagot azonban eddig nem sikerült kimutatni, a folyékony fény tanulmányozása ehhez adhat kulcsot;
• elméletben a szuperfolyadék formájában tárolt fény egy csapásra megoldhatná a megújuló energiaforrások problémáját, ha egyfajta energiatárolóként hasznosíthatnák;
• a kutatók szerint a folyékony fénynek komoly szerepe lesz a jövőben a lézerek, számítógépek, napelemek és LED-alapú alkalmazások technikájában.

(Interesting Engineering)