برای اولین بار رفتار شبه‌ابرشاره‌ی از چگالیده‌ی پولاریتون‌ها در دمای اتاق توسط پژوهش‌گرانی از ایتالیا و کانادا مشاهده شده است. چنان رفتاری تاکنون تنها در دماهای بسیار پایین دیده شده بود. علاوه بر این‌که این پدیده به فیزیک‌دانان این امکان را می‌دهد تا به مطالعه‌ی پدیده‌های کوانتومی ماکروسکوپیک تحت شرایط محیطی بپردازند. از این پژوهش می‌توان در توسعه‌ی مدارهای فوتونیک که از نور برای پردازش اطلاعات استفاده می‌کنند نیز بهره گرفت.

ابرشارگی (شارش مایع بدون اصطکاک) اولین بار در هلیوم مایع فوق‌سرد در سال ۱۹۳۸ دیده شده است. چنان مایع ابرشاره‌ای می‌تواند در طول دیواره‌های محفظه خزیده، بدون حباب بجوشد و حتی حول مانع‌ها شارش یابد. اندکی پس از این کشف، فیزیک‌دانی به اسم فریتز لاندن (Fritz London) پیشنهاد داد که ممکن است ارتباطی بین یک ابرشاره و چگالیده‌ی بوز-انیشتین (BEC) وجود داشته باشد. چگالیده‌ی بوز-انشتین حالتی از ماده است که در آن تمام ذرات تشکیل دهنده به یک تک‌حالت کوانتومی چگالیده می‌شوند. در سال ۱۹۹۵ که ابرشارگی در چگالیده‌های بوز-انیشتین ساخته شده از اتم‌های فوق‌سرد مشاهده شد، ادعای او مورد اثبات قرار گرفت.

با این حال تا به امروز ابرشارگی و BEC تنها در دماهای بسیار پایین دیده شده بود. تیمی به رهبری دانیله سانیتو (Daniele Sanvitto ) از CNR NANOTEC در لچه‌ی ایتالیا و استفان کینا کوهن (Stéphane Kéna-Cohen) از پلی‌تکنیک مونترال در کانادا اکنون نشان داده‌اند که چگالیده‌ای از شبه‌ذرات موسوم به پلاریتون‌ها می‌توانند همچون یک ابرشاره در دمای اتاق رفتار کنند.

شارش حول موانع

نمونه‌ای که توسط این تیم مورد مطالعه قرار گرفته شامل میکروکاواک فابری-پرو است که از دو آینه‌ی دی‌الکتریک با بازتابش بالا ساخته شده و با لایه‌ی نازکی از ماده‌ی آلی موسوم به TDAF احاطه شده است. این ستاپ فوتون‌ها را به یک حجم کوچک محدود می‌سازد. الکترون‌ها و حفره‌ها می‌توانند حالات مقیدی معروف به اکسایتون‌ها را حتی در دماهای بالا در TDAF تشکیل دهند. فوتون‌ها در میکروکاواک  بشدت با اکسایتون‌ها اندرکنش یافته و تحریکات شبه‌ذره‌ای موسوم به پُلاریتون‌ها را ایجاد می‌کنند.

با بهره بردن از تکنیک  آشکارسازی بسیار سریع که بتواند یک تصویر در هر ۱۰ فمتوثانیه بگیرد، پژوهش‌گران قادر شده‌اند تا دینامیک جمعیِ پُلاریتون‌ها را مشاهده کنند. آنان دریافته‌اند که پُلاریتون‌ها شبیه سیالی رفتار می‌کنند که بدون اصطکاک حول موانع جریان دارند؛ موانعی که با استفاده از یک لیزر برای سوزاندن حفره‌های کوچک در این ماده‌ی آلی ایجاد شده بودند. این پدیده به عنوان ردپایی از رفتار ابرشاره‌ای توسط این پژوهش‌گران تفسیر شده است.

همتایان فوتونی قطعات الکترونی

به گفته‌ی سانیتو: «حقیقت این است که چنان رفتاری تحت شرایط محیطی دیده شده و این یعنی چنان سیالات چگالیده‌ای اکنون با آزمایش‌های روی میز در یک قطعه‌ی ساده مورد مطالعه قرار گرفته که بزرگ‌تر از یک ناخن انگشت نیست. دینامیک ویژه‌ی این سیالات (که سیالات کوانتومی نیز نامیده می‌شوند) اکنون بدون نیاز به تجهیزات و شرایط آزمایشگاهی خاص دیده و رونمایی شده‌اند».

کینا کوهن با مراجعه به کاربردهای تکنیکی ممکن برای ابرشاره‌ی پُلاریتونی می‌گوید: «در آینده قطعات ساخته‌شده از چنان شبه‌ذراتی که نیمی نور و نیمی ماده هستند و جرم بسیار کمی دارند، ممکن است برای انتقال اطلاعات با تلفات و حرارت صفر استفاده شوند». با این وجود به بیان وی یکی از جالب‌ترین کاربردهای پُلاریتون‌ها استفاده از آن‌ها به عنوان همتایان فوتونی ممکن برای قطعات الکترونی همچون سویچ‌ها، گیت‌ها و ترانزیستورهاست.

این تیم اکنون در جستجوی چگونگی ساخت قطعاتی است که در آن‌ها فوتون‌ها بتوانند بهتر محدود شوند و برای مدت زمان بیشتری محدود بمانند. به گفته‌ی سانیتو: «این پژوهش برای فناوری‌های واقعی و ارزشمند آتی برپایه‌ی چگالیده‌های پلاریتونی کاری اساسی است».

این پژوهش در مجله‌ی نیچر فیزیکس بچاپ رسیده است.

درباره‌ی نویسنده:

بل دامی کمک‌ویراستار nanotechweb.org  است.

منبع:

Superfluid polaritons seen at room temperature