Supersolid van licht experimenteel aangetoond

Voor het eerst is in een experimenteel onderzoek aangetoond dat een supersolid fase van materie kan bestaan in een condensaat van polaritonen binnen een fotonisch kristal.

De studie is gepubliceerd in Nature. Het onderzoek werd uitgevoerd door de fotonicagroep van het Istituto di Nanotecnologia van de Italiaanse Nationale Onderzoeksraad (CNR-Nanotec), de Istituto Nazionale di Ottica (CNR-Ino), de universiteiten van Innsbruck, Princeton en Pavia, en het Lawrence Berkeley National Laboratory.

Wat is een supersolid?

Een supersolid is een zeldzame en tegenintuïtieve fase van materie die twee ogenschijnlijk tegengestelde eigenschappen combineert: de rigiditeit van een kristal en het vermogen van een supervloeistof om zonder wrijving te stromen.

“Je kan je een supersolid voorstellen als een vloeistof bestaande uit coherente kwantumdruppels die periodiek in de ruimte zijn gerangschikt. Deze druppels kunnen zonder verstoring door obstakels stromen, terwijl ze tegelijkertijd hun ruimtelijke ordening en onderlinge afstand behouden, zoals in een kristallijne vaste stof”, zegt Iacopo Carusotto, mede-auteur en onderzoeker bij CNR-INO.

Nieuw perspectief op supersoliditeit

Eerdere studies hebben supersoliditeit vooral onderzocht in Bose-Einstein-condensaten (BEC) van atomen. Dit nieuwe onderzoek is echter de eerste experimentele demonstratie van een supersolide fase in een niet-evenwichtssysteem met gedwongen dissipatie. Hierbij werd gebruikgemaakt van exciton-polaritonen in een fotonische kristalgeleidingsgolf.

De onderzoekers wisten een supersolide toestand te creëren door de polaritonen te laten condenseren in een zogenaamde ‘Bound state in the Continuum’ (BiC) binnen een fotonisch kristalgeleidingsgolf. Dit stelde hen in staat om met grote precisie dichtheidsmodulaties te meten, wat een kenmerk is van de doorbroken translatiesymmetrie. Tegelijkertijd onderzochten ze de lokale coherentie van de supersolide golffunctie.

“Dit is niet simpelweg een fotonische analogie van atomische systemen, maar een fundamenteel nieuwe benadering om supersoliditeit te bereiken,” aldus Dimitrios Trypogeorgos, hoofdonderzoeker bij CNR-Nanotec en coördinator van de studie.

Toekomstperspectieven

Volgens Daniele Sanvitto, onderzoeksleider bij CNR-Nanotec, opent dit werk de deur naar het verder bestuderen van kwantumfasen in niet-evenwichtssystemen. “Dit is bijzonder relevant, omdat deze aanpak het potentieel heeft om de kloof tussen fundamentele wetenschap en praktische toepassingen te overbruggen.”

Dario Gerace, mede-auteur en hoogleraar aan de Universiteit van Pavia: “Het realiseren van deze exotische gecondenseerde materietoestand in een lichtvloeistof die zich door een halfgeleider-nanostructuur beweegt, maakt het mogelijk om de fysische eigenschappen ervan op een nieuwe en gecontroleerde manier te onderzoeken. Dit zou kunnen leiden tot toepassingen in nieuwe lichtemitterende apparaten.”

Implicaties voor de technologie van de toekomst

Deze ontdekking opent bovendien kansen voor kwantumtechnologieën. Potentiële toepassingen variëren van geavanceerde fotonische apparaten tot neuromorfische computing, een technologie die probeert de werking van neuronen in het menselijk brein na te bootsen. De onderzoekers zijn nu bezig met verdere experimenten om de supersolide toestand te manipuleren en het lage-energie-excitatie-spectrum ervan te onderzoeken. Dit kan de weg vrijmaken voor een geheel nieuw onderzoeksveld binnen de kwantumwetenschappen.