I supersolidi sono uno strano stato quantistico della materia che combina le proprietà dei solidi e dei liquidi. Ora sono diventati ancora più sorprendenti, poiché gli scienziati hanno trasformato la luce stessa in un supersolido. È una svolta che potrebbe portare a nuove tecnologie quantistiche e fotoniche. Oltre ai solidi, liquidi, gas e plasmi quotidiani, esiste un intero zoo di stati esotici della materia. Teorizzato da lungo tempo ma creato solo di recente, un supersolido ha una struttura cristallina come un solido normale, ma può anche, controintuitivamente, fluire liberamente come un fluido.
“Possiamo immaginare il supersolido come un fluido composto da gocce quantistiche coerenti disposte periodicamente nello spazio,” dice il fisico atomico e ottico Iacopo Carusotto dell’Università di Trento in Italia. Le gocce, spiega Carusotto, “sono in grado di fluire attraverso un ostacolo senza subire perturbazioni, mantenendo il loro arrangiamento spaziale e la distanza reciproca inalterati come accade in un solido cristallino.”
I supersolidi sono stati finora creati solo con atomi, ma il team guidato da scienziati del Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR) in Italia ne ha ora creato uno utilizzando i fotoni per la prima volta. Una mappa di densità dei fotoni nel supersolido di luce, con la modulazione visibile come linee ondulate.
“Realizzare questo stato esotico di materia condensata in un fluido di luce che scorre in una nanostruttura semiconduttrice ci permetterà di investigare le sue proprietà fisiche in un modo nuovo e controllato e forse di sfruttare le sue caratteristiche uniche per possibili applicazioni in nuovi dispositivi a emissione di luce,” dice il fisico della materia condensata Dario Gerace dell’Università di Pavia in Italia.
Comprendere esattamente cosa sta accadendo qui può essere complicato. Gli scienziati non hanno semplicemente preso fotoni liberi dall’aria e li hanno indotti in uno stato esotico della materia – la luce non è materia, dopotutto, è energia. Per farlo funzionare, i ricercatori hanno dovuto accoppiare i fotoni alla materia. I fotoni provenivano da un laser, che è stato proiettato su un semiconduttore di arseniuro di gallio che ha fornito la parte materiale dell’equazione. I fotoni interagiscono con le eccitazioni nel materiale per creare quasiparticelle chiamate polaritoni.
Configurazioni simili sono state utilizzate in passato per trasformare la luce in un superfluido. Renderla un supersolido richiede alcuni passaggi aggiuntivi. L’arseniuro di gallio aveva una struttura particolare progettata per manipolare i fotoni in tre diversi stati quantistici. All’inizio, i fotoni si stabiliscono in uno stato con momento zero, ma man mano che questo stato si “riempie”, coppie di fotoni iniziano a riversarsi nei due stati adiacenti. Questo fa sì che i polaritoni si condensino in quello che il team chiama uno stato vincolato nel continuo (BiC). La densità dei fotoni nella forma supersolida forma due picchi.
Vincolare i polaritoni a ciascuno stato all’interno del semiconduttore è ciò che conferisce loro la struttura spaziale di un solido, mentre la loro naturale capacità di fluire senza attrito li rende un superfluido. Le proprietà di entrambi insieme dovrebbero rendere l’intero sistema un supersolido. Per confermare che fosse così, il team ha dovuto verificare alcuni dei segni distintivi. Mappare la densità dei fotoni rivela due picchi imponenti con un abisso al centro. Ma sopra questo si trova un particolare schema di modulazione, che indica che la simmetria traslazionale è rotta – una caratteristica dei supersolidi.
Successivamente, hanno utilizzato l’interferometria per misurare lo stato quantistico del sistema e assicurarsi che fosse coerente localmente, in ciascun componente dello stato, e globalmente in tutto il sistema. E infatti, quell’ordine fragile ha tenuto insieme, aggiungendo ulteriori prove della creazione di un supersolido. Il team afferma che questo rappresenta un modo completamente nuovo di creare lo strano stato della materia.
“Questo lavoro non solo dimostra l’osservazione di una fase supersolida in una piattaforma fotonica, ma apre anche la strada all’esplorazione delle fasi quantistiche della materia in sistemi non in equilibrio,” dice il fisico Daniele Sanvitto dell’Istituto di Nanotecnologia del CNR. “Questo è particolarmente significativo perché questo approccio ha il potenziale di colmare il divario tra scienza fondamentale e applicazioni pratiche.” La ricerca è stata pubblicata sulla rivista Nature.