Ulat ng supersolid sa temperatura ng silid ang nagpapakita ng may-guhit na quantum fluid ng liwanag

Quantum fluid na kusang bumubuo ng mga guhit

Iniulat ng isang pangkat mula sa University of Warsaw na nakalikha ito ng supersolid phase sa isang quantum fluid ng liwanag, gamit ang optical microcavity na naglalaman ng likidong kristal at organikong semiconductor. Inilarawan ng mga mananaliksik ang isang condensate na nagkakaroon ng mga guhit sa densidad na magkakapantay ang pagitan, habang nananatili ang mga katangiang kaugnay ng mga superfluid. Nagdadala ito ng di-pangkaraniwang kombinasyon ng mga katangiang quantum sa isang sistemang sinasabing gumagana sa temperatura ng silid.

Pinagsasama ng disenyong eksperimental ang nematic liquid crystal at dalawang patong ng polymer na methyl-substituted ladder-type poly(p-phenylene), na kilala bilang MeLPPP. Sapat ang lakas ng ugnayan ng liwanag at mga elektronikong eksitasyon sa polymer upang makabuo ng mga exciton polariton, mga hybrid na entidad na maaaring magsama-sama sa iisang quantum state.

Tinutukoy ng talaan ng publikasyon ng IBM Research na inilathala ang pag-aaral sa Science Advances at may petsang Oktubre 16, 2026. Ayon sa paglalarawan nito, lumilitaw ang mga guhit sa magkakaibang puwesto sa bawat pagbuo ng condensate, kahit may random na potensiyal ng disorder. Iniulat din ng mga mananaliksik ang mga vortex na lumilitaw nang sapalaran, isa pang katangiang kaugnay ng mga superfluid.

Kailangang maingat ang paglalahad tungkol sa temperatura. Tinatawag ng paglalarawan ng pananaliksik na supersolidity sa temperatura ng silid ang tagumpay, samantalang inilalagay naman ng kasamang ulat sa halos 60 digri Celsius ang malakas na ugnayan ng liwanag at matter. Hindi tinutukoy sa akademikong buod ang eksaktong temperatura kung kailan isinagawa ang mga obserbasyon sa supersolid. Parehong inilalagay ng dalawang paglalarawan ang pag-aaral sa temperaturang mas mataas nang malaki kaysa sa mga temperaturang malapit sa absolute zero na ginagamit sa mga supersolid na atom na pinalamig nang husto.

Ano ang di-pangkaraniwan sa supersolid?

May paulit-ulit na pagkakaayos ng matter ang isang karaniwang kristal. Ang superfluid ay isang quantum fluid na kayang dumaloy nang walang karaniwang resistansiyang dulot ng lagkit. Pinagsasama ng supersolid ang kaayusan sa espasyong kahawig ng sa kristal at ang kolektibong asal na quantum na kaugnay ng superfluid.

Maaaring makalito ang salitang solid sa karaniwang pag-unawa. Dito, ang paulit-ulit na estruktura ay isang padron sa densidad ng quantum fluid. Tungkol ang eksperimento sa condensate ng mga hybrid na eksitasyon ng liwanag at matter sa loob ng isang optical device, hindi sa isang pamilyar at matigas na bagay.

Nabubuo ang Bose-Einstein condensate kapag maraming bosonic na partikulo o eksitasyon ang sumasakop sa iisang quantum state at sama-samang kumikilos. Isang kapaki-pakinabang na larawan nito ang isang pangkat na sabay-sabay gumagalaw: nagiging sentral ang kolektibong asal, sa halip na kumilos nang magkakahiwalay ang bawat isa. Sa polariton condensate, nagbibigay sa mga mananaliksik ng daan tungo sa kolektibong state ang liwanag na inilalabas ng device.

Itinatag ng mga eksperimento sa mga atom na pinalamig nang husto ang asal na supersolid noong 2017. Gumagamit ang mga sistemang iyon ng napakababang temperatura upang makita ang quantum behavior sa kolektibong antas. Ginagamit ng pamamaraan ng Warsaw ang mga exciton polariton upang siyasatin ang kaugnay na pisika sa ibang saklaw ng temperatura at sa ibang uri ng platapormang eksperimental.

Paano hinuhubog ng likidong kristal ang condensate

Ikinukulong ng microcavity ang liwanag upang malakas itong makaugnayan ng mga exciton sa mga patong ng MeLPPP. Ang exciton ay isang elektronikong eksitasyon na binubuo ng isang electron at ng butas na may positibong karga na naiiwan nito. Hinahalo ng malakas na ugnayan ang mga state ng liwanag at exciton upang maging mga exciton polariton.

Pinagsasama ng mga polariton ang napakaliit na epektibong masa na minana nila sa liwanag at ang mga interaksiyong minana nila sa bahagi nitong matter. Inilalarawan ng epektibong masa kung paano tumutugon ang isang eksitasyon sa mga pagbabago sa galaw nito sa loob ng materyal. Nakakatulong ang maliit na epektibong masang ito na ipaliwanag kung bakit nagaganap ang polariton condensation sa temperaturang mas mataas nang malaki kaysa sa condensation sa mga atomikong gas.

May mga molekula ang nematic liquid crystal na may tendensiyang pumantay sa iisang ginugustong oryentasyon. Sa device na ito, nalilikha nito ang tinatawag ng mga mananaliksik na Rashba-Dresselhaus spin-orbit coupling. Sa madaling paliwanag, iniuugnay ng cavity ang mga katangian ng polarization ng liwanag sa galaw ng mga polariton.

Nagkakaroon ang resultang ugnayan ng enerhiya at momentum ng dalawang magkahiwalay na minimum na magkapantay ang enerhiya. Ito ang dalawang lugar na kapwa kanais-nais paganapan ng condensation. Nagbibigay ang pag-okupa sa mga state na ito ng batayan para sa condensate na may modulasyon sa espasyo na inilalarawan sa pag-aaral.

Bakit mahalaga ang puwesto ng mga guhit

Makikita sa inilalabas na liwanag ang regular na matingkad na mga guhit, na nagpapakita ng mga pana-panahong pagbabago sa densidad ng condensate. Ang pagitan ng mga ito ang nagbibigay ng paulit-ulit na kaayusang kaugnay ng supersolid phase. Isa pang mahalagang pahiwatig para sa mga mananaliksik ang pagbabago ng puwesto ng mga ito sa magkakasunod na condensate.

Ayon sa akademikong paglalarawan, lumilitaw ang mga guhit sa mga puwestong pinipili nang sapalaran mula sa isang pagkabuo ng condensate tungo sa kasunod nito. Sa bawat pagkakataon, pumipili ang sistema ng isang partikular na pagkakalagay para sa padron nito. Tinatawag ito ng mga pisiko na kusang paglabag sa translational symmetry: pumipili ang sistemang maaaring magkaroon ng iba't ibang puwesto ng isang partikular na pagkakaayos sa espasyo.

Maaaring ihambing ito sa isang paulit-ulit na padron na puwedeng dumulas pakaliwa o pakanan nang hindi nagbabago ang pagitan ng mga guhit. Kapag nabuo na ang condensate, nananatili ang padron sa isang puwesto. Kapag lumikha ang eksperimento ng isa pang condensate, maaari namang mapunta sa ibang lugar ang mga guhit.

Iniulat ng mga mananaliksik na nagpapatuloy ang asal na ito kahit may random na potensiyal ng disorder, na nangangahulugang may iregular na pagkakaiba-iba sa mga kondisyong nararanasan ng mga polariton. Itinuturing nila ang obserbasyon bilang katibayang hindi madaling maapektuhan ng disorder ang mga guhit at kusang pinipili ang puwesto ng mga ito.

Nagdaragdag ng isa pang katangian sa iniulat na quantum fluid ang mga vortex. Ang vortex ay umiikot na estruktura kung saan umiikot sa isang gitnang punto ang quantum phase, o ang tiyempo ng kolektibong alon. Iniulat ng pag-aaral na lumilitaw ang mga ito nang sapalaran kasabay ng padron ng may-guhit na densidad, kaya naiuugnay ang kaayusan sa espasyo sa asal na pamilyar sa mga superfluid.

Iba ang mas malalaking padron sa isang naunang panukala

Sinuri ng isang teoretikal na preprint noong Hulyo 2024 na pinamagatang Supersolidity of polariton condensates in photonic crystal waveguides ang isa pang paraan upang makabuo ng polariton supersolid. Nagpanukala ito ng estrukturang gumagabay sa liwanag sa isang dimensiyon at may pana-panahong padron sa ibabaw.

Magkakaibang device at mekanismo ang pinag-aaralan ng dalawang proyektong ito. Gumagamit ang panukala noong 2024 ng photonic crystal waveguide at nonlinear na scattering sa pagitan ng mga polariton mode. Gumagamit naman ang iniulat na eksperimento sa likidong kristal ng microcavity kung saan lumilikha ang spin-orbit coupling ng dalawang minimum ng enerhiya para sa condensation.

Hinuhulaan ng mga kalkulasyon sa waveguide na maaaring mag-scatter ang mga polariton na unang nag-condense sa zero momentum tungo sa mga mode na may di-serong momentum habang tumataas ang optical input. Inilalarawan ng momentum ang galaw na kaugnay ng mga mode na iyon. Maaaring makalikha ng regular na padron sa espasyo ang pinagsama-samang emisyon ng mga ito, at kusang mapili ang puwesto ng padron kapag angkop ang mga kondisyon.

Tinatayang plus o minus 0.3 na inverse micrometer ang wavevector ng hinulaang modulasyon, na katumbas ng panahong pang-espasyo na humigit-kumulang 21 micrometer. Humigit-kumulang 0.25 micrometer naman ang panahon ng pinagbabatayang photonic crystal. Kapag hinati ang 21 sa 0.25, lalabas na humigit-kumulang 84, kaya inuulit ang hinulaang padron ng densidad sa sukat na halos 84 na ulit na mas malaki kaysa sa padrong ginawa sa ibabaw.

Ipinapaliwanag ng paghahambing na ito ang isang mahalagang katangian ng panukala: may sarili at naiibang haba ang kolektibong padron, na itinatakda ng mga polariton mode na kasangkot sa scattering. Iniulat din ng mga mananaliksik ang mga kalkulasyong nagpapakitang makokontrol ang puntong pinagmumulan ng mahalagang scattering sa pamamagitan ng input power.

Dalawang threshold at 300 numerikal na pagsubok

Tinutukoy ng teorya noong 2024 ang mga pagbabago sa inilalabas na liwanag bilang praktikal na mga palatandaang maaaring hanapin sa isang eksperimento. Ibinubukod ng mga kalkulasyon nito ang paunang threshold ng condensation at ang kasunod na threshold na kaugnay ng nonlinear na scattering tungo sa mga dagdag na mode. Ang threshold ay antas ng input kung saan nagsisimula ang isang bagong asal.

Kapag may di-serong linear coupling na nag-uugnay sa mga kaugnay na mode, maaaring magkaroon ng dalawang threshold ang emisyon mula sa karagdagang branch: ang isa ay kasabay ng paunang condensation at ang isa pa ay lumilitaw sa mas mataas na input. Kapag wala ang linear coupling na iyon, iisang nonlinear na threshold na kaugnay ng scattering ang ipinapakita ng karagdagang branch.

Iniuugnay rin ng mga kalkulasyon ang kalayaang pumili ng puwesto ng mga guhit sa mga kondisyon ng coupling. Kapag walang linear coupling sa pagitan ng mga mode na iyon, nagkakaiba ang puwesto ng modulasyon sa bawat numerikal na pagsubok. Sinuri ng pag-aaral ang kusang pagpiling ito gamit ang 300 stochastic realization, o mga simulation na may magkakaibang random na pagbabago.

Nagkaroon ng pana-panahong modulasyon ang bawat pagsubok, ngunit kumalat sa buong posibleng saklaw ang mga phase ng mga padron. Nang dagdagan ang bilang ng mga pagsubok na pinagsama-sama, nabawasan ang nakikitang modulasyon dahil nagkansela ang mga guhit na magkakaiba ang puwesto. Ipinapakita ng resulta kung bakit mahalagang pag-aralan ang mga indibidwal na condensate kapag kusang pumipili ng sariling pagkakaayos sa espasyo ang kolektibong state.

May dalawang magkahiwalay na mahalagang yugto sa sunod-sunod na pananaliksik:

• Hulyo 2024: Nagpanukala ang isang teoretikal na preprint ng supersolid sa photonic crystal waveguide, kasama ang mga threshold ng emisyon at mga numerikal na pagsusuri sa kusang pagbuo ng padron.
• Oktubre 16, 2026: Itinatala ng talaan ng IBM Research ang isang pag-aaral sa Science Advances na nag-uulat ng supersolid phase sa temperatura ng silid sa isang liquid crystal microcavity.

Ano ang nababago nito para sa quantum photonics

Gumagana ang mga polariton system habang patuloy na pumapasok at lumalabas ang mga partikulo sa kolektibong state. Ayon sa kasamang ulat, ilang picosecond lamang ang buhay ng mga polariton; ang isang picosecond ay katumbas ng isang trilyon ng isang segundo. Muling pinupunan ng optical excitation ang sistema habang nabubulok ang mga partikulo at tumatakas ang liwanag.

Driven-dissipative system ang tawag ng mga pisiko dito: nagbibigay ng enerhiya ang panlabas na pinagmumulan habang nawawalan naman ng enerhiya at mga eksitasyon ang device. Sa teorya ng waveguide, bunga ng balanse ng gain, pagkalugi at interaksiyon ang steady state. Napapanatili ang kolektibong padron sa pamamagitan ng patuloy na balanseng ito.

Dahil sa pagsasama ng mga temperaturang madaling maabot at optical readout, kapaki-pakinabang na lugar ang iniulat na microcavity para pag-aralan ang mga quantum fluid na may kaayusan. Masusuri ng mga mananaliksik ang mga padron ng densidad sa pamamagitan ng inilalabas na liwanag, habang nagbibigay naman ang likidong kristal ng paraan upang hubugin ang estruktura ng enerhiya ng polariton.

Kabilang sa mga posibleng aplikasyon na tinatalakay kaugnay ng pananaliksik ang mabilis na mga photonic component at neuromorphic computing accelerator, na nagpoproseso ng impormasyon gamit ang mga kaayusang hango sa mga nervous system. Kaakit-akit dito ang kakayahan ng mga nag-iinteraksiyong optical state na sama-samang tumugon at kumilos nang nonlinear, kaya nagkakaroon ng malaking pagbabago sa asal kapag lumampas sa threshold ang isang input.

Ang iniulat na tagumpay ay ang paglikha at pagmamasid sa isang quantum phase. Para magamit ang pisikang ito sa isang bahagi ng computer, kailangang makontrol kung paano nabubuo ang state, kung saan matatagpuan ang padron nito at kung paano ito tumutugon sa isang input. Lalong mahalaga ang mga puwesto ng guhit na pinipili nang sapalaran: mahalagang katibayan sa pisika ang kusang pagpili, ngunit kakailanganin ng isang aparatong nagpoproseso ng impormasyon ang maaasahang paraan upang magamit o makontrol ang pagpiling iyon.

Nagbibigay ng mas detalyadong larawan ang pinagsamang eksperimental at teoretikal na pananaliksik kaysa sa alinman sa mga ito nang magkahiwalay. Inilalarawan ng pag-aaral sa microcavity ang mga condensate na may guhit at mga vortex sa mga temperaturang madaling maabot. Nagbibigay naman ang panukala sa waveguide ng mga kalkulasyon sa ibang mekanismo, kabilang ang mga sukat ng padron, mga threshold ng emisyon at mga pagsusuring estadistikal. Pinalalawak ng dalawang pag-aaral ang hanay ng mga optical structure kung saan maaaring siyasatin ang asal na supersolid.

Mahahalagang Punto

• Iniulat ng isang pangkat mula sa University of Warsaw ang isang supersolid polariton condensate sa microcavity na naglalaman ng nematic liquid crystal at dalawang patong ng MeLPPP polymer.
• Magkakaiba ang puwestong pinipili ng iniulat na mga guhit sa densidad sa bawat pagkabuo ng condensate, at nagpapatuloy ang mga ito kahit may random na potensiyal ng disorder.
• Iniulat din ng pag-aaral ang mga vortex na lumilitaw nang sapalaran, isang katangiang kaugnay ng mga superfluid.
• Inilalarawan ng akademikong buod ang paggana sa temperatura ng silid; inilalagay naman ng kasamang ulat sa halos 60 digri Celsius ang malakas na coupling.
• Hinuhulaan ng hiwalay na teoretikal na panukala noong Hulyo 2024 ang mga padron sa waveguide na may panahong humigit-kumulang 21 micrometer at sinusuri ang 300 numerikal na pagsubok.
• Posibleng aplikasyon ang photonic computing, ngunit ang pangunahing resulta ay tungkol sa pagbuo at asal ng isang di-pangkaraniwang quantum state.