Taniec wirów w ciele stałym

Czy da się wytworzyć i obserwować wiry w ciele stałym? To możliwe w świecie mechaniki kwantowej. Badaniem sposobu ich powstawania oraz zachowania zajmował się sześcioosobowy zespół w politechnice w Lozannie. Jednym z jego członków była dr Barbara Piętka z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego. Pracę opisującą to niecodzienne zjawisko publikuje prestiżowe czasopismo Nature Physics. Opublikowane wyniki mogą się przyczynić do rozwoju nowej gałęzi optoelektroniki, wykorzystującej zjawiska kwantowe do budowy pamięci optycznych, bramek logicznych lub tranzystorów.

Wir kojarzony jest zwykle z ruchem wody. Niełatwo wyobrazić sobie podobne zjawisko wewnątrz kryształu, a jednak tam także jest ono możliwe.

Strukturę krystaliczną ciała stałego tworzą regularnie ułożone atomy. Jądra atomowe pozostają zazwyczaj w swoich ustalonych miejscach, podczas gdy lekkie elektrony z powłok atomowych mogą być wymieniane pomiędzy atomami. Mogą też pojawiać się miejsca, w których chwilowo brakuje elektronów, czyli dziury. Dziury i uwolnione elektrony mają swoją
dynamikę, w szczególności mogą przyciągać się i tworzyć rodzaj stanów związanych nazywanych ekscytonami. Ekscytony są więc lokalnymi zaburzeniami „porządku” na powłokach elektronowych atomów sieci krystalicznej. Zaburzenia te mogą się przemieszczać wewnątrz ciała stałego, a ich zachowanie pod wieloma względami przypomina ruch zwykłych
cząstek, dlatego nazywa się je kwazicząstkami. Z kolei przemieszczanie się dużej liczby kwazicząstek poprzez kryształ może być porównane do przepływu płynu. W takim ruchu kwazicząstek defekty sieci krystalicznej – miejscowe nieregularności ułożenia atomów lub obecność „obcych” atomów innych pierwiastków – zaburzają swobodny przepływ podobnie jak kamienie w strumieniu zaburzają przepływ wody. A więc mogą pojawiać się wiry.

Jednym z warunków koniecznych do wytworzenia dynamicznych wirów w ciele stałym, jest wprowadzenie „płynu” kwazicząstek w stan nadciekły. W przypadku zwykłych płynów stan nadciekłości osiąga się obniżając ekstremalnie temperaturę. Nadciekła ciecz – na przykład hel 4 schłodzony do temperatury ok. 2 stopni Kelwina – nie wykazuje żadnej lepkości. Przy
małej prędkości przepływa w prowadzących ją instalacjach bez oporów, wciskając się w nawet najmniejsze szczeliny. Jeśli na drodze jest jakaś przeszkoda to cząsteczki nadciekłej cieczy… zupełnie jej nie zauważą – opłyną ją bez najmniejszych zaburzeń. Podobnie „płyn” kwazicząstek można wprowadzić w stan nadciekły.

Pracujący na politechnice w Lozannie zespół, w skład którego wchodziła dr Barbara Piętka z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego, wprowadził w stan nadciekły polarytony. Nazwą tą określa się ekscytony sprzężone ze światłem. – Są to kwazicząstki, będące połączeniem światła widzialnego (fotonu) oraz materii (ekscytonu) – opisuje dr Piętka.  Podczas eksperymentów naukowcy obserwowali, co się dzieje z przepływającymi przez
kryształ półprzewodnikowy polarytonami w stanie nadciekłym w miarę zwiększania ich prędkości. Nadciekłe polarytony nakierowano na znajdujący się w krysztale defekt – niewielką wypukłość. – Aby wytworzyć wiry kwantowe trzeba było rozpędzić polarytony na tyle, by na obwodzie defektu prędkość tych kwazicząstek przekraczała prędkość dźwięku – tłumaczy badaczka. – Wtedy stan nadciekły się załamywał, a za defektem pojawiały się wiry.

Wiry powstające podczas przepuszczania polarytonów przez półprzewodnik
przypominają inne znane zjawiska tego typu. W krysztale nie tworzą się one jednak tak chaotyczne, jak choćby wiry w wodzie, lecz w sposób bardziej uporządkowany. Autorzy zaobserwowali powstanie wiru oraz antywiru oraz ich uwolnienie w tym samym momencie. W skali makro jest inaczej – tam wir i rotujący w przeciwną stronę antywir zwykle uwalniane są po kolei i nie tworzą par. Po odłączeniu od defektu, wiry kwantowe nie znikają i
przesuwają się w próbce tak długo, jak istnieją tworzące je polarytony. Żywot tych kwazicząstek jest bardzo krótki – liczy się w pikosekundach, czyli trylionowych częściach sekund. Polarytony mogą w tym czasie pokonać odległości nawet do 200 mikrometrów, co ma istotne znaczenie w szybkim przekazie informacji na odległości duże w skali rozmiarów bramek logicznych i tranzystorów.

Próbka, którą posługiwano się podczas eksperymentu opisanego w „Nature” składała się z połączeń pierwiastków z III i V grupy układu okresowego. – Taki kryształ hoduje się w specjalnych warunkach, atom po atomie układa się w sieci krystaliczne o różnych warstwach – mówi dr Piętka. W trakcie eksperymentu użyto próbki z arsenku galu oraz arsenku  aluminium. Jej poszczególne warstwy miały grubość rzędu nanometrów, różniły się
właściwościami oraz pełnioną funkcją. Równie dobrze mogły to być połączenia innych pierwiastków, np. azotu i galu. – Eksperyment można by przeprowadzić na materiałach z II i VI grupy pod warunkiem, że ktoś umiałby wyhodować taką próbkę, co jest  kwestią zastosowania odpowiedniej technologii – uzupełnia autorka. Założeniem eksperymentu było
przeprowadzanie badań tak, aby otrzymane wyniki można było łatwo otrzymać i potwierdzić niezależnie w innych laboratoriach.

Badaniem własności polarytonów zajmuje się nowa dziedzina fizyki nazywana polarytroniką. Oczekuje się, że prowadzone w jej ramach prace pozwolą zbudować w przyszłości wiele pożytecznych urządzeń m.in. zużywające mniej energii lasery lub nowe polarytonowe  pamięci optyczne oraz tranzystory. Badanie zjawisk zachodzących podczas przepływu polarytonów przez półprzewodnik jest ważne z punktu widzenia ich zastosowań – zakłócenia
jakie powstają podczas tego procesu będą miały wpływ na szybkość przekazywania informacji.
Praca pod tytułem Hydrodynamic nucleation of quantized vortex pairs in a
polariton quantum fluid (Hydrodynamiczna nukleacja par skwantowanych wirów
w kwantowym płynie polarytonowym) została opublikowana 3 kwietnia w „Advance Online Publication”  czasopisma Nature Physics (nr referencyjny DOI: 10.1038/NPHYS1959).

Marek Pawłowski