Dr inż. Maciej Pieczarka, adiunkt w Katedrze Fizyki Doświadczalnej, jest współautorem badań opublikowanych w artukule wyróżnionym przez edytora (tzw. „Editor’s suggestion”) najnowszego wydania Physical Review Letters. Badania do publikacji zostały wykonane podczas pobytu Dr. Pieczarki na stażu podoktorskim w Australian National University (ANU), jednego z czołowych uniwersytetów świata.  

Zespół badawczy pod kierownictwem prof. Eleny Ostrovskaya dokonał pierwszej obserwacji kolektywnych oscylacji kondensatu Bosego-Einsteina światła i materii złożonego z polarytonów ekcytonowych, uwięzionych w specjalnej pułapce optycznej. Polarytony ekscytonowe to kwazicząstki uzyskiwane w półprzewodnikowych laserach, które zachowują się tak, jakby posiadały po trochę cech cząstek światła (fotonów) oraz cząstek wzbudzenia kryształu półprzewodnikowego (ekscytonów). W ten sposób polarytony wyróżniają się bardzo małą masą, będącą jedną stutysięczną masy elektronu swobodnego, oraz silnymi oddziaływaniami odpychającymi poprzez oddziaływanie elektrostatyczne elektronów w półprzewodniku. Kondensaty Bosego-Einsteina są intensywnie badane przez naukowców na świecie, ponieważ tworzą one nadciecze, które mogą płynąć wewnątrz urządzenia półprzewodnikowego bezstratnie i bez oporu. Taka właściwość pozwala wykorzystać ten egzotyczy stan materii w urządzeniach optoleketroniczych nowej generacji. 

Zaobserwowane oscylacje kondensatu polarytonów ekscytonowych są tak naprawdę „chlupotaniem” 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, która utrzymuje w środku ciecz. Za ściany pułapki odpowiadają wygenerowane elektrony i dziury w półprzewodniku, które odpychają się z polarytonami.

Zaobserwowane oscylacje są niesłychanie szybkie i odbywają się w czasie dziesiątek pikosekund (pikosekunda to 10^-12 sekundy). Z tego powodu ich pomiar musiał zostać dokonany za pomocą bardzo czułej kamery smugowej, pozwalającej na obserwację tak szybkich sygnałów. Oscylacje zostały zerejestrowane w funkcji położenia na próbce, czyli przestrzeni rzeczywistej, oraz w funkcji pędu cieczy, czyli przestrzeni wektora falowego.  

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

Dr inż. Maciej Pieczarka jest absolwentem Fizyki Technicznej na Wydziale Podstawowych Problemów Techniki Politechniki Wrocławskiej. Swoją przygodę z PWr kontynuował na studiach doktoranckich, które ukończył z wyróżnieniem w 2017 roku, broniąc pracy doktorskiej w temacie 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 roku został laureatem stypendium START Fundancji na Rzerz Nauki Polskiej. 

Po powrocie na Politechnikę rozwija on 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), w ramach którego Katedra Fizyki Doświadczalnej jest jednostką partnerską.

Link do pracy: https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.075301

Link do centrum doskonałości: www.fleet.org.au