Μια εξαιρετικά σπάνια κβαντική κατάσταση της ύλης, η οποία συνδυάζει χαρακτηριστικά στερεού και υπερρευστού, παρατήρησε διεθνής ομάδα επιστημόνων σε θερμοκρασία δωματίου, χωρίς να απαιτούνται τα εξαιρετικά πολύπλοκα συστήματα ψύξης που χρησιμοποιούνται συνήθως στην κβαντική φυσική. Το επίτευγμα πραγματοποιήθηκε από ερευνητές του Πανεπιστημίου της Βαρσοβίας, της IBM Research στη Ζυρίχη, του γαλλικού CNRS και άλλων επιστημονικών ιδρυμάτων, χρησιμοποιώντας ένα ειδικά σχεδιασμένο σύστημα στο οποίο το φως αλληλεπιδρά έντονα με την ύλη.
Τα αποτελέσματα δημοσιεύθηκαν στις 16 Οκτωβρίου 2026 στο επιστημονικό περιοδικό Science Advances, ενώ στις 3 Νοεμβρίου το Πανεπιστήμιο της Βαρσοβίας παρουσίασε αναλυτικά το πείραμα. Οι επιστήμονες παρατήρησαν τη λεγόμενη υπερστερεή κατάσταση, γνωστή ως supersolid, σε ένα συμπύκνωμα Bose-Einstein που αποτελείται από υβριδικά κβαντικά σωματίδια φωτός και ύλης. Η ανακάλυψη δημιουργεί νέες δυνατότητες για τη μελέτη κβαντικών φαινομένων χωρίς κρυογενικές εγκαταστάσεις, με πιθανές μελλοντικές εφαρμογές σε οπτικούς επεξεργαστές, αισθητήρες υψηλής ευαισθησίας και φωτονικά συστήματα.
Τι είναι η υπερστερεή κατάσταση της ύλης
Στην καθημερινή εμπειρία, τα στερεά και τα υγρά παρουσιάζουν διαφορετική συμπεριφορά. Ένα στερεό διαθέτει οργανωμένη εσωτερική δομή, ενώ ένα υγρό μπορεί να ρέει και να αλλάζει σχήμα.
Η κβαντική φυσική, ωστόσο, προβλέπει την ύπαρξη μιας κατάστασης που συνδυάζει δύο φαινομενικά ασύμβατες ιδιότητες: την περιοδική οργάνωση ενός κρυστάλλου και τη συλλογική συμπεριφορά ενός υπερρευστού.
Η κατάσταση αυτή ονομάζεται supersolid ή υπερστερεή φάση.
Η θεωρητική της περιγραφή αναπτύχθηκε ήδη από τη δεκαετία του 1960, αλλά η πειραματική παρατήρησή της αποδείχθηκε ιδιαίτερα δύσκολη.
Το 2017, επιστήμονες κατάφεραν να παρατηρήσουν αντίστοιχα φαινόμενα σε εξαιρετικά ψυχρά ατομικά συμπυκνώματα Bose-Einstein.
Τα συγκεκριμένα πειράματα απαιτούσαν θερμοκρασίες πολύ κοντά στο απόλυτο μηδέν, ώστε τα σωματίδια να εκδηλώσουν συλλογική κβαντική συμπεριφορά.
Η νεότερη έρευνα ακολουθεί διαφορετική προσέγγιση, καθώς αξιοποιεί τις αλληλεπιδράσεις φωτός και ύλης..
Πώς δημιουργήθηκε η κβαντική κατάσταση σε θερμοκρασία δωματίου
Οι ερευνητές κατασκεύασαν μια ειδική οπτική μικροκοιλότητα, μέσα στην οποία το φως περιορίζεται και αλληλεπιδρά με συγκεκριμένα υλικά.
Η διάταξη περιλαμβάνει υγρούς κρυστάλλους και λεπτά στρώματα οργανικού ημιαγωγού, γνωστού ως MeLPPP.
Όταν το σύστημα διεγείρεται με παλμούς λέιζερ, δημιουργούνται exciton-polaritons, δηλαδή υβριδικά κβαντικά οιονεί σωματίδια που προκύπτουν από την ισχυρή σύζευξη φωτονίων με διεγέρσεις της ύλης.
Τα polaritons μπορούν να συγκεντρωθούν στην ίδια κβαντική κατάσταση, σχηματίζοντας ένα συμπύκνωμα Bose-Einstein.
Παρότι η διάρκεια ζωής τους είναι εξαιρετικά μικρή, της τάξης μερικών picoseconds, είναι αρκετή για να αναπτυχθεί συλλογική κβαντική συμπεριφορά.
Η ειδική δομή των υγρών κρυστάλλων δημιουργεί μια αποτελεσματική σύζευξη spin-orbit, η οποία διαμορφώνει την ενεργειακή συμπεριφορά των polaritons.
Υπό τις κατάλληλες συνθήκες, το συμπύκνωμα αποκτά μια χωρικά περιοδική κατανομή, χαρακτηριστική της υπερστερεής φάσης.
Το σημαντικό είναι ότι η διαδικασία πραγματοποιήθηκε σε θερμοκρασία δωματίου. Σύμφωνα με τους ερευνητές, αντίστοιχες μικροκοιλότητες μπορούν να λειτουργούν ακόμη και σε θερμοκρασίες που πλησιάζουν τους 60 βαθμούς Κελσίου.
Οι φωτεινοί κροσσοί που αποκάλυψαν το φαινόμενο
Η σημαντικότερη πειραματική ένδειξη προέκυψε από την παρατήρηση του φωτός που εξέπεμπε η μικροκοιλότητα.
Οι επιστήμονες εντόπισαν ένα επαναλαμβανόμενο μοτίβο φωτεινών και σκοτεινών κροσσών, το οποίο αντιστοιχούσε σε περιοδικές μεταβολές της πυκνότητας του συμπυκνώματος.
Το ιδιαίτερο στοιχείο ήταν ότι το μοτίβο δεν εμφανιζόταν πάντοτε στην ίδια θέση.
Με κάθε νέο παλμό λέιζερ, οι φωτεινοί κροσσοί σχηματίζονταν σε διαφορετικό σημείο, παρότι οι πειραματικές συνθήκες παρέμεναν ουσιαστικά ίδιες.
Αυτό αποτελεί χαρακτηριστική ένδειξη αυθόρμητης θραύσης συμμετρίας: το κβαντικό σύστημα επιλέγει από μόνο του μία από περισσότερες ισοδύναμες χωρικές διατάξεις.
Παράλληλα, παρατηρήθηκαν περιοδικές μεταβολές στην πόλωση του φωτός, καθώς και κβαντικοί στρόβιλοι, οι οποίοι συνδέονται με τη συμπεριφορά υπερρευστών συστημάτων.
Ο συνδυασμός των παρατηρήσεων υποστήριξε την ταυτοποίηση της νέας φάσης ως υπερστερεής.
Το τεχνικό πρόβλημα που δυσκόλεψε το πείραμα
Παρά την επιτυχία, η υλοποίηση αποδείχθηκε ιδιαίτερα απαιτητική.
Ο οργανικός ημιαγωγός αντιδρούσε σταδιακά με τον υγρό κρύσταλλο, με αποτέλεσμα τα δείγματα να υποβαθμίζονται και το διαθέσιμο χρονικό διάστημα μετρήσεων να είναι περιορισμένο.
Σύμφωνα με τον Marcin Muszyński, πρώτο συγγραφέα της επιστημονικής δημοσίευσης, οι ερευνητές έπρεπε να έχουν προγραμματίσει με ακρίβεια τη σειρά των πειραμάτων, καθώς η επανάληψη ορισμένων μετρήσεων απαιτούσε την κατασκευή νέου δείγματος.
Οι σημαντικότερες μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν στα εργαστήρια της IBM Research στη Ζυρίχη, με χρήση φωτονικών δομών που αναπτύχθηκαν στο Πολωνικό Στρατιωτικό Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο.
Η περιορισμένη σταθερότητα των υλικών αποτελεί μία από τις προκλήσεις που πρέπει να αντιμετωπιστούν για την περαιτέρω αξιοποίηση της τεχνολογίας.
Γιατί η δυνατότητα ηλεκτρικού ελέγχου είναι σημαντική
Η έρευνα δεν αποτελεί την πρώτη επιστημονική αναφορά υπερστερεής συμπεριφοράς σε θερμοκρασία δωματίου. Ξεχωρίζει, ωστόσο, για τη χρήση μικροκοιλότητας υγρών κρυστάλλων που μπορεί να ρυθμίζεται ηλεκτρικά.
Αυτό σημαίνει ότι οι οπτικές ιδιότητες του συστήματος μπορούν να μεταβάλλονται με την εφαρμογή εξωτερικής τάσης.
Η δυνατότητα προσφέρει στους επιστήμονες μεγαλύτερο έλεγχο κατά τη μελέτη της συλλογικής συμπεριφοράς των polaritons και των μεταβάσεων μεταξύ διαφορετικών κβαντικών καταστάσεων.
Οι ερευνητές θεωρούν ότι τέτοιες πλατφόρμες θα μπορούσαν μελλοντικά να αξιοποιηθούν σε εξαιρετικά γρήγορα φωτονικά κυκλώματα, νευρομορφικούς επιταχυντές επεξεργασίας και προηγμένους οπτικούς αισθητήρες.
Οι εφαρμογές αυτές βρίσκονται ακόμη σε ερευνητικό επίπεδο. Το πείραμα δεν δημιούργησε ένα συνηθισμένο στερεό από φως ούτε παρουσίασε κάποια έτοιμη εμπορική συσκευή.
Η ουσιαστική πρόοδος είναι ότι ένα σύνθετο κβαντικό φαινόμενο, το οποίο παραδοσιακά απαιτούσε ακραίες εργαστηριακές συνθήκες, μπορεί πλέον να μελετηθεί σε ένα διαφορετικό φωτονικό περιβάλλον και σε θερμοκρασίες καθημερινής χρήσης.
