Dr inż. Maciej Pieczarka z Fizyki Doświadczalnej W11 jest współautorem badań opublikowanych w najnowszym wydania prestiżowego czasopisma „Physical Review Letters”. Badania dotyczące „chlupotania” supercieczy świetlnej w laserze wykonał wraz z zespołem Australian National University (ANU), jednego z czołowych uniwersytetów świata. Artykuł został wyróżniony przez edytora czasopisma.

Polski naukowiec na australijskim uniwersytecie

Młody fizyk z W11 prowadzi badania eksperymentalne nad niezwykłymi laserami półprzewodnikowymi. Lasery te – jak sam tłumaczy – są wyjątkowe, bo choć zbudowane są jak zwykle lasery, to jednak wykazują nietypowe właściwości fizyczne.

Naukowiec badania prowadził na australijskim uniwersytecie przez dwa lata i po powrocie do kraju, kontynuuje je na PWr. Do swojego zespołu poszukuje studentów, zainteresowanych badaniami eksperymentalnymi.

Dr. Maciejowi Pieczarce od początku zależało na współpracy z prof. Eleną Ostrovskayą z Autralian National University w Canberze więc najpierw w 2017 r. nawiązał kontakt z panią profesor i postarał się o 2-miesięczny staż na uniwersytecie w Canberze, podczas którego okazało się, że ze współpracy jest również zadowolona australijska badaczka.

Światło i materia w pułapce optycznej

- Po stażu prof. Ostrovskaya zaproponowała mi 2-letni kontrakt na stanowisku postdoca, czyli młodego doktora tuż po obronie pracy. Skorzystałem z oferty bez zastanowienia – opowiada dr Maciej Pieczarka, który zdecydował się wrócić do Polski na stałe kilka miesięcy temu z powodu narodzin swojego pierworodnego syna – Michałka.

Polak wraz z zespołem pod kierownictwem prof. Eleny Ostrovskaya przez wiele miesięcy badał kolektywne oscylacje kondensatu Bosego-Einsteina światła i materii złożonej z polarytonów ekcytonowych, znajdujących się w specjalnej pułapce optycznej.

Polarytony ekscytonowe, to kwazicząstki powstające w niezwykłych laserach półprzewodnikowych. Zachowują się jakby posiadały trochę cech cząstek światła (fotonów) i cząstek wzbudzenia kryształu półprzewodnikowego (ekscytonów). Polarytony charakteryzują się bardzo małą masą i silnymi oddziaływaniami odpychającymi poprzez oddziaływanie elektrostatyczne elektronów w półprzewodniku.

- Normalnie w laserze mamy do czynienia tylko ze światłem, czyli fotonami. W badanym przeze mnie laserze światło zachowuje się jakby miało całkowicie inne właściwości. Fotony zaczynają „widzieć się” nawzajem i odpychają się, przez co powstaje gaz „sztucznych” cząstek, które oddziałują ze sobą – opowiada naukowiec.

Nadciecz w laserze 

Polarytony ekscytonowe są bozonami i mogą stworzyć egzotyczny stan materii – czyli kondensat Bosego-Einsteina. Te z kolei są intensywnie badane przez naukowców na świecie, ponieważ są to nadciecze, które mogą płynąć wewnątrz urządzenia półprzewodnikowego, np. lasera, bezstratnie i bez oporu. Taka właściwość pozwala wykorzystać te ciecze w urządzeniach optoelektronicznych nowej generacji, takich jak optyczne tranzystory czy elementy logiczne.

Zaobserwowane oscylacje kondensatu polarytonów ekscytonowych, to tak na prawdę „chlupotanie” kwantowej cieczy, która jest zawarta w „optycznym wiaderku”. Wiaderko jest stworzone przez odrębny laser, który skupiony w postaci okręgu wzbudza badaną próbkę i tworzy ściany cylindrycznej pułapki. Ta zaś utrzymuje w środku ciecz.

- Zmierzyliśmy jak nadciecz chlupie w tym naszym laserze. Było to możliwe, ponieważ nasze wiaderko jest dziurawe. To oznacza, że światło uciekało z naszej pułapki i mogliśmy je zarejestrować w eksperymencie – mówi dr Maciej Pieczarka.

Zaobserwowane oscylacje są niesłychanie szybkie i odbywają się w czasie dziesiątek pikosekund. Z tego powodu ich pomiar musiał zostać dokonany za pomocą bardzo czułej kamery smugowej, pozwalającej na obserwację tak szybkich sygnałów.

Niesłychanie szybka oscylacja

- Piękno i prawdziwa wartość tego eksperymentu kryje się w analizie częstotliwości oscylacji kwantowej cieczy, którą w bardzo pomysłowy sposób wykonał wiodący autor publikacji, Dr Eliezer Estrecho z ANU. Częstotliwości oscylacji zostały przeanalizowane technikami numerycznymi, które były wcześniej z powodzeniem stosowane w pomiarach częstotliwości fal grawitacyjnych LIGO i VIRGO – tłumaczy dr Maciej Pieczarka, który bardzo podkreśla doniosłość analizy dr. Eliezera Estrecho.

Wiedza na temat częstotliwości oscylacji kondensatu Bosego-Einsteina w pułapce pozwala na wyodrębnienie podstawowych właściwości takiej cieczy kwantowej, czyli prędkości fal dźwiękowych i na wyodrębnienie mechanizmów odpowiadających za tłumienie oscylacji. W warunkach idealnych w zerowej temperaturze, oscylacje kondensatu powinny odbywać się w nieskończoność, co nie jest prawdą podwyższonych temperaturach. Wyznaczone parametry odbiegają od tych, które przewidziane są przez istniejące teorie, co motywuje naukowców do dalszych badań nad zrozumieniem właściwości nadcieczy złożonej ze światła i materii, co może pozwolić na użycie kondensatu Bosego-Einsteina polarytonów ekscyonowych w urządzeniach przyszłości.

- Okazało, że chlupanie nadcieczy zanika w czasie i na podstawie tej obserwacji mogliśmy wyciągnąć dużo informacji na temat mechanizmów tłumienia ruchu nadcieczy polarytonowej. Było to nieuchwytne w eksperymentach do tej pory– mówi dr Maciej Pieczarka.

Dr Maciej Pieczarka jest absolwentem fizyki technicznej na W11. Przygodę naukową z uczelnią kontynuował na studiach doktoranckich, które ukończył z wyróżnieniem w 2017 r., broniąc pracy doktorskiej o kondensacji polarytonów ekscytonowych w układach z dużym nieporządkiem. W latach 2017-2020 pracował w Nonlinear Physics Centre w Autralian National University w Canberze na stażu podoktorskim, w grupie eksperymentalnej prof. Eleny Ostrovskaya. W 2020 r. został laureatem stypendium START Fundancji na Rzerz Nauki Polskiej.

Po powrocie na PWr rozwija badania doświadczalne nad fundamentalnymi właściwościami kwantowych cieczy polarytonów ekscytonowych we współpracy z grupą z Australii, w ramach australijskiego centrum doskonałości Australian Research Council Centre of Excellence for Future Low-Energy Electronics Technologies (ARC FLEET ). Katedra Fizyki Doświadczalnej PWr jest jednostką partnerską.

Ula Małecka

Grafika kondensatu i gif z niesłuchanie szybkimi oscylacjami wykonane przez E. Estrecho