รายงานการค้นพบซูเปอร์โซลิดที่อุณหภูมิห้อง เผยของไหลควอนตัมแห่งแสงที่ก่อตัวเป็นริ้ว

ของไหลควอนตัมที่ก่อตัวเป็นริ้วด้วยตัวเอง

ทีมวิจัยจากมหาวิทยาลัยวอร์ซอรายงานว่า ได้สร้างเฟสซูเปอร์โซลิดในของไหลควอนตัมแห่งแสง โดยใช้ออปติคัลไมโครแควิตีที่บรรจุผลึกเหลวและสารกึ่งตัวนำอินทรีย์ นักวิจัยอธิบายถึงคอนเดนเสตที่ก่อตัวเป็นริ้วความหนาแน่นซึ่งเว้นระยะอย่างสม่ำเสมอ ขณะยังคงคุณสมบัติบางประการของซูเปอร์ฟลูอิดไว้ นับเป็นการผสานคุณสมบัติควอนตัมที่ไม่ธรรมดาในระบบที่ระบุว่าทำงานได้ที่อุณหภูมิห้อง

การทดลองนี้ใช้ผลึกเหลวเนมาติกประกบกับพอลิเมอร์สองชั้นที่เรียกว่าเมทิลซับสติติวเต็ดแลดเดอร์ไทป์พอลิ(พารา-ฟีนิลีน) หรือ MeLPPP แสงและการกระตุ้นทางอิเล็กทรอนิกส์ในพอลิเมอร์จับคู่กันอย่างเข้มข้นจนเกิดเป็นเอ็กซิตอนโพลาริตอน ซึ่งเป็นอนุภาคผสมที่สามารถรวมตัวกันเป็นสถานะควอนตัมร่วมกันได้

รายการผลงานของ IBM Research ระบุสิ่งพิมพ์ ว่างานวิจัยนี้ตีพิมพ์ในวารสาร Science Advances และลงวันที่ 16 ตุลาคม 2026 คำอธิบายระบุว่าริ้วปรากฏในตำแหน่งต่างกันทุกครั้งที่คอนเดนเสตก่อตัว แม้มีศักย์รบกวนแบบสุ่มอยู่ก็ตาม นักวิจัยยังรายงานการเกิดวอร์เทกซ์แบบสุ่ม ซึ่งเป็นอีกคุณสมบัติหนึ่งที่พบในซูเปอร์ฟลูอิด

การกล่าวถึงอุณหภูมิต้องใช้ความระมัดระวัง คำอธิบายงานวิจัยเรียกความสำเร็จนี้ว่าซูเปอร์โซลิดที่อุณหภูมิห้อง ขณะที่รายงานประกอบระบุว่าการจับคู่ระหว่างแสงกับสสารอย่างเข้มข้นเกิดขึ้นใกล้ 60 องศาเซลเซียส บทสรุปทางวิชาการไม่ได้ระบุอุณหภูมิที่แน่ชัดขณะสังเกตการณ์ซูเปอร์โซลิด ทั้งสองคำอธิบายระบุว่างานนี้ดำเนินการที่อุณหภูมิสูงกว่าการทดลองซูเปอร์โซลิดในอะตอมเย็นยิ่งยวด ซึ่งใช้ความเย็นใกล้ศูนย์สัมบูรณ์มาก

อะไรทำให้ซูเปอร์โซลิดไม่ธรรมดา?

ผลึกทั่วไปมีการจัดเรียงตัวของสสารซ้ำเป็นแบบแผน ส่วนซูเปอร์ฟลูอิดคือของไหลควอนตัมที่ไหลได้โดยไม่มีแรงต้านตามปกติซึ่งเกิดจากความหนืด ซูเปอร์โซลิดผสานระเบียบเชิงพื้นที่ที่คล้ายผลึกเข้ากับพฤติกรรมควอนตัมร่วมกันที่พบในซูเปอร์ฟลูอิด

คำว่า “ของแข็ง” อาจทำให้เข้าใจผิดหากตีความตามความหมายทั่วไป ในที่นี้ โครงสร้างซ้ำเป็นแบบแผนความหนาแน่นของของไหลควอนตัม การทดลองศึกษาคอนเดนเสตของการกระตุ้นผสมระหว่างแสงกับสสารภายในอุปกรณ์เชิงแสง ไม่ใช่วัตถุแข็งที่พบเห็นได้ทั่วไป

คอนเดนเสตโบส-ไอน์สไตน์เกิดขึ้นเมื่ออนุภาคโบซอนหรือการกระตุ้นจำนวนมากอยู่ในสถานะควอนตัมร่วมกันและแสดงพฤติกรรมเป็นกลุ่ม ภาพเปรียบเทียบที่เข้าใจง่ายคือฝูงชนที่เคลื่อนไหวพร้อมกัน โดยพฤติกรรมร่วมกันกลายเป็นหัวใจสำคัญ แทนที่แต่ละคนจะแสดงพฤติกรรมอย่างเป็นอิสระ ในคอนเดนเสตโพลาริตอน แสงที่อุปกรณ์ปล่อยออกมาช่วยให้นักวิจัยตรวจสอบสถานะร่วมกันนั้นได้

การทดลองกับอะตอมเย็นยิ่งยวดแสดงพฤติกรรมซูเปอร์โซลิดได้เป็นครั้งแรกในปี 2017 ระบบเหล่านั้นใช้ความเย็นจัดเพื่อทำให้เห็นพฤติกรรมควอนตัมในระดับที่เกิดขึ้นร่วมกัน ส่วนแนวทางของวอร์ซอใช้เอ็กซิตอนโพลาริตอนศึกษาฟิสิกส์ที่เกี่ยวข้องในช่วงอุณหภูมิที่ต่างออกไป และด้วยแพลตฟอร์มการทดลองอีกแบบหนึ่ง

ผลึกเหลวกำหนดรูปร่างคอนเดนเสตอย่างไร

ไมโครแควิตีกักแสงไว้เพื่อให้แสงมีปฏิสัมพันธ์อย่างเข้มข้นกับเอ็กซิตอนในชั้น MeLPPP เอ็กซิตอนคือการกระตุ้นทางอิเล็กทรอนิกส์ที่ประกอบด้วยอิเล็กตรอนและตำแหน่งว่างที่มีประจุบวก หรือโฮล ซึ่งอิเล็กตรอนทิ้งไว้ การจับคู่ที่เข้มข้นผสานสถานะของแสงและเอ็กซิตอนให้กลายเป็นเอ็กซิตอนโพลาริตอน

โพลาริตอนมีมวลเชิงผลที่ต่ำมากซึ่งได้รับมาจากแสง และมีปฏิสัมพันธ์ที่ได้รับมาจากองค์ประกอบที่เป็นสสาร มวลเชิงผลอธิบายว่าการกระตุ้นตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงการเคลื่อนที่ภายในวัสดุอย่างไร มวลเชิงผลที่ต่ำมากนี้ช่วยอธิบายว่าเหตุใดการควบแน่นของโพลาริตอนจึงเกิดขึ้นได้ที่อุณหภูมิสูงกว่าการควบแน่นในก๊าซอะตอมมาก

ผลึกเหลวเนมาติกประกอบด้วยโมเลกุลที่มีแนวโน้มจัดเรียงตัวไปในทิศทางที่ต้องการร่วมกัน ในอุปกรณ์นี้ ผลึกเหลวทำให้เกิดสิ่งที่นักวิจัยเรียกว่าการจับคู่สปิน-ออร์บิตแบบรัชบา-เดรสเซลเฮาส์ อธิบายอย่างง่ายได้ว่าแควิตีเชื่อมโยงคุณสมบัติด้านโพลาไรเซชันของแสงเข้ากับการเคลื่อนที่ของโพลาริตอน

ความสัมพันธ์ระหว่างพลังงานกับโมเมนตัมที่เกิดขึ้นมีจุดต่ำสุดสองจุดที่ระดับพลังงานเดียวกัน กล่าวคือเป็นสองตำแหน่งที่เอื้อต่อการควบแน่นเท่าๆ กัน การมีอนุภาคอยู่ในสถานะเหล่านี้เป็นเงื่อนไขให้เกิดคอนเดนเสตที่มีการเปลี่ยนแปลงเชิงพื้นที่ตามที่งานวิจัยอธิบายไว้

เหตุใดตำแหน่งของริ้วจึงสำคัญ

แสงที่ปล่อยออกมาเผยให้เห็นริ้วสว่างที่เรียงตัวเป็นระเบียบ แสดงให้เห็นการเปลี่ยนแปลงเป็นคาบของความหนาแน่นคอนเดนเสต ระยะห่างระหว่างริ้วเป็นตัวกำหนดระเบียบซ้ำที่สัมพันธ์กับเฟสซูเปอร์โซลิด ส่วนการที่ตำแหน่งริ้วเปลี่ยนไปในคอนเดนเสตแต่ละครั้งก็ให้ข้อมูลสำคัญอีกประการแก่นักวิจัย

คำอธิบายทางวิชาการระบุว่าริ้วปรากฏในตำแหน่งสุ่มเมื่อเปรียบเทียบคอนเดนเสตแต่ละครั้ง ในแต่ละครั้ง ระบบจะเลือกตำแหน่งเฉพาะสำหรับแบบแผนของตน นักฟิสิกส์เรียกปรากฏการณ์นี้ว่าการทำลายสมมาตรเชิงการเลื่อนตำแหน่งโดยฉับพลัน กล่าวคือระบบที่สามารถเกิดขึ้นได้หลายตำแหน่งลงเอยด้วยการจัดเรียงตัวเชิงพื้นที่แบบใดแบบหนึ่ง

ลองนึกถึงแบบแผนซ้ำที่เลื่อนไปทางซ้ายหรือขวาได้โดยระยะห่างระหว่างส่วนต่างๆ ยังคงเดิม เมื่อคอนเดนเสตก่อตัว แบบแผนจะอยู่ในตำแหน่งหนึ่ง แต่เมื่อการทดลองสร้างคอนเดนเสตขึ้นอีกครั้ง ริ้วก็อาจไปปรากฏที่ตำแหน่งอื่น

นักวิจัยรายงานว่าพฤติกรรมนี้ยังคงเกิดขึ้นแม้มีศักย์รบกวนแบบสุ่ม ซึ่งหมายถึงความแปรผันไม่สม่ำเสมอในสภาวะที่โพลาริตอนเผชิญอยู่ พวกเขาตีความข้อสังเกตนี้ว่าเป็นหลักฐานว่าริ้วทนต่อการรบกวนดังกล่าว และตำแหน่งของริ้วถูกเลือกขึ้นเอง

วอร์เทกซ์เป็นอีกคุณสมบัติหนึ่งของของไหลควอนตัมที่มีรายงาน วอร์เทกซ์คือโครงสร้างการหมุนวนที่เฟสควอนตัม หรือจังหวะของคลื่นที่เคลื่อนที่ร่วมกัน หมุนวนรอบจุดศูนย์กลาง งานวิจัยรายงานการเกิดวอร์เทกซ์แบบสุ่มควบคู่กับแบบแผนความหนาแน่นที่เป็นริ้ว ซึ่งเชื่อมโยงระเบียบเชิงพื้นที่เข้ากับพฤติกรรมที่คุ้นเคยจากซูเปอร์ฟลูอิด

ข้อเสนออีกแนวทางคาดการณ์แบบแผนขนาดใหญ่กว่า

งานวิจัยก่อนตีพิมพ์เชิงทฤษฎีเมื่อเดือนกรกฎาคม 2024 ชื่อ Supersolidity of polariton condensates in photonic crystal waveguides ศึกษาอีกแนวทางหนึ่งในการสร้างซูเปอร์โซลิดจากโพลาริตอน โดยเสนอให้ใช้โครงสร้างที่นำทางแสงไปตามมิติหนึ่งและมีพื้นผิวที่จัดลวดลายเป็นคาบ

งานวิจัยทั้งสองชิ้นศึกษาอุปกรณ์และกลไกที่แตกต่างกัน ข้อเสนอปี 2024 ใช้เวฟไกด์ผลึกโฟโตนิกและการกระเจิงแบบไม่เชิงเส้นระหว่างโหมดโพลาริตอน ส่วนการทดลองผลึกเหลวที่มีรายงานใช้ไมโครแควิตี ซึ่งการจับคู่สปิน-ออร์บิตสร้างจุดต่ำสุดของพลังงานสองจุดสำหรับการควบแน่น

การคำนวณในงานวิจัยเวฟไกด์คาดการณ์ว่าโพลาริตอนซึ่งเริ่มควบแน่นที่โมเมนตัมเป็นศูนย์สามารถกระเจิงไปยังโหมดที่มีโมเมนตัมไม่เป็นศูนย์ได้ เมื่อกำลังแสงขาเข้าสูงขึ้น โมเมนตัมอธิบายการเคลื่อนที่ที่สัมพันธ์กับโหมดเหล่านั้น การปล่อยแสงจากโหมดต่างๆ รวมกันอาจทำให้เกิดแบบแผนเชิงพื้นที่ที่สม่ำเสมอ โดยภายใต้เงื่อนไขที่เหมาะสม ตำแหน่งของแบบแผนจะถูกเลือกขึ้นเอง

การปรับเปลี่ยนที่คาดการณ์ไว้มีเวกเตอร์คลื่นประมาณบวกหรือลบ 0.3 ไมโครเมตรยกกำลังลบหนึ่ง ซึ่งสอดคล้องกับคาบเชิงพื้นที่ราว 21 ไมโครเมตร ส่วนคาบของผลึกโฟโตนิกที่เป็นโครงสร้างพื้นฐานอยู่ที่ประมาณ 0.25 ไมโครเมตร เมื่อนำ 21 หารด้วย 0.25 จะได้ประมาณ 84 กล่าวคือแบบแผนความหนาแน่นที่คาดการณ์ไว้ซ้ำเป็นคาบที่มีขนาดใหญ่กว่าแบบแผนบนพื้นผิวที่สร้างขึ้นราว 84 เท่า

การเปรียบเทียบนี้แสดงให้เห็นคุณสมบัติสำคัญของข้อเสนอ แบบแผนร่วมมีสเกลความยาวของตัวเอง ซึ่งกำหนดโดยโหมดโพลาริตอนที่เกี่ยวข้องกับการกระเจิง นักวิจัยยังรายงานผลการคำนวณที่แสดงว่าควบคุมจุดกระเจิงที่เกี่ยวข้องได้ด้วยกำลังขาเข้า

สองค่าเกณฑ์และการทดลองเชิงตัวเลข 300 ครั้ง

ทฤษฎีปี 2024 ระบุว่าการเปลี่ยนแปลงของแสงที่ปล่อยออกมาเป็นสัญญาณที่นำไปใช้ค้นหาได้จริงในการทดลอง การคำนวณแยกค่าเกณฑ์เริ่มต้นของการควบแน่นออกจากค่าเกณฑ์อีกค่าหนึ่งที่เกี่ยวข้องกับการกระเจิงแบบไม่เชิงเส้นไปยังโหมดเพิ่มเติม ค่าเกณฑ์คือระดับขาเข้าที่พฤติกรรมใหม่เริ่มเกิดขึ้น

เมื่อมีการจับคู่เชิงเส้นที่ไม่เป็นศูนย์เชื่อมโยงโหมดที่เกี่ยวข้อง การปล่อยแสงจากแขนงเพิ่มเติมอาจแสดงค่าเกณฑ์สองค่า ได้แก่ค่าหนึ่งที่ตรงกับการควบแน่นเริ่มต้น และอีกค่าที่ปรากฏเมื่อขาเข้าสูงขึ้น หากไม่มีการจับคู่เชิงเส้นดังกล่าว แขนงเพิ่มเติมจะแสดงค่าเกณฑ์แบบไม่เชิงเส้นเพียงค่าเดียว ซึ่งสัมพันธ์กับการกระเจิง

การคำนวณยังเชื่อมโยงอิสระในการเลือกตำแหน่งของริ้วเข้ากับเงื่อนไขการจับคู่ด้วย ในกรณีที่ไม่มีการจับคู่เชิงเส้นระหว่างโหมดเหล่านั้น การปรับเปลี่ยนจะเกิดในตำแหน่งต่างกันในการจำลองเชิงตัวเลขแต่ละครั้ง งานวิจัยประเมินการเลือกตำแหน่งขึ้นเองนี้ด้วยการจำลองแบบสุ่ม 300 ครั้ง โดยแต่ละครั้งใช้ความผันผวนแบบสุ่มที่แตกต่างกัน

การจำลองแต่ละครั้งให้การปรับเปลี่ยนเป็นคาบ แต่เฟสของแบบแผนเหล่านั้นกระจายครอบคลุมค่าที่เป็นไปได้ทั้งหมด เมื่อเฉลี่ยผลจากการจำลองจำนวนมากขึ้น การปรับเปลี่ยนที่มองเห็นได้ลดลง เพราะริ้วที่อยู่ต่างตำแหน่งหักล้างกัน ผลลัพธ์นี้ชี้ให้เห็นว่าเหตุใดการศึกษาคอนเดนเสตแต่ละครั้งจึงสำคัญ เมื่อสถานะร่วมเลือกการจัดเรียงตัวเชิงพื้นที่ของตนเอง

พัฒนาการของงานวิจัยประกอบด้วยหมุดหมายสำคัญสองประการ:

• กรกฎาคม 2024: งานวิจัยก่อนตีพิมพ์เชิงทฤษฎีเสนอการสร้างซูเปอร์โซลิดในเวฟไกด์ผลึกโฟโตนิก พร้อมวิเคราะห์ค่าเกณฑ์การปล่อยแสงและทดสอบการเกิดแบบแผนขึ้นเองด้วยการคำนวณเชิงตัวเลข
• 16 ตุลาคม 2026: รายการของ IBM Research ระบุวันที่ของงานวิจัยในวารสาร Science Advances ซึ่งรายงานเฟสซูเปอร์โซลิดที่อุณหภูมิห้องในไมโครแควิตีผลึกเหลว

ผลต่อโฟโตนิกส์ควอนตัม

ระบบโพลาริตอนทำงานโดยมีอนุภาคเข้าและออกจากสถานะร่วมอยู่ตลอดเวลา รายงานประกอบระบุว่าโพลาริตอนมีอายุเพียงไม่กี่พิโควินาที โดยหนึ่งพิโควินาทีเท่ากับหนึ่งในล้านล้านวินาที การกระตุ้นด้วยแสงจะเติมอนุภาคกลับเข้าสู่ระบบ ขณะที่อนุภาคสลายตัวและแสงหลุดออกไป

นักฟิสิกส์เรียกระบบนี้ว่าระบบขับเคลื่อนและสลายตัว กล่าวคือแหล่งพลังงานภายนอกจ่ายพลังงานให้ ขณะที่อุปกรณ์สูญเสียพลังงานและการกระตุ้น ในทฤษฎีเวฟไกด์ สภาวะคงตัวเกิดจากสมดุลระหว่างการเพิ่มขึ้น การสูญเสีย และปฏิสัมพันธ์ แบบแผนร่วมคงอยู่ได้ด้วยสมดุลที่เกิดขึ้นอย่างต่อเนื่องนี้

อุณหภูมิที่เข้าถึงได้และการอ่านผลด้วยแสงทำให้ไมโครแควิตีที่มีรายงานเป็นระบบที่เหมาะสำหรับศึกษาของไหลควอนตัมที่มีระเบียบ นักวิจัยตรวจสอบแบบแผนความหนาแน่นได้จากแสงที่ปล่อยออกมา ขณะที่ผลึกเหลวช่วยปรับโครงสร้างพลังงานของโพลาริตอน

การใช้งานที่อาจเกิดขึ้นซึ่งมีการกล่าวถึงในงานนี้ ได้แก่ อุปกรณ์โฟโตนิกความเร็วสูงและตัวเร่งการประมวลผลแบบนิวโรมอร์ฟิก ซึ่งประมวลผลข้อมูลโดยใช้โครงสร้างที่ได้รับแรงบันดาลใจจากระบบประสาท จุดเด่นที่เกี่ยวข้องคือสถานะเชิงแสงที่มีปฏิสัมพันธ์กันสามารถตอบสนองร่วมกันและอย่างไม่เป็นเชิงเส้น จนเกิดการเปลี่ยนแปลงพฤติกรรมอย่างมากเมื่อขาเข้าข้ามค่าเกณฑ์

ความสำเร็จที่รายงานคือการสร้างและสังเกตเฟสควอนตัม การนำฟิสิกส์นี้ไปพัฒนาเป็นองค์ประกอบสำหรับการประมวลผลต้องควบคุมวิธีที่สถานะก่อตัว ตำแหน่งของแบบแผน และการตอบสนองต่อขาเข้า ตำแหน่งริ้วแบบสุ่มมีความสำคัญเป็นพิเศษ เพราะการเลือกตำแหน่งขึ้นเองเป็นหลักฐานที่มีค่าสำหรับฟิสิกส์ ขณะที่อุปกรณ์ประมวลผลข้อมูลจำเป็นต้องมีวิธีใช้หรือควบคุมการเลือกนั้นอย่างเชื่อถือได้

เมื่อนำงานทดลองและงานทฤษฎีมาพิจารณาร่วมกัน จะเห็นภาพละเอียดกว่าการศึกษาแต่ละชิ้นเพียงลำพัง งานศึกษาไมโครแควิตีอธิบายคอนเดนเสตที่มีริ้วและวอร์เทกซ์ในช่วงอุณหภูมิที่เข้าถึงได้ ส่วนข้อเสนอเวฟไกด์ให้ผลการคำนวณเกี่ยวกับกลไกอีกแบบหนึ่ง ทั้งสเกลของแบบแผน ค่าเกณฑ์การปล่อยแสง และการทดสอบทางสถิติ งานทั้งสองร่วมกันขยายขอบเขตของโครงสร้างเชิงแสงที่ใช้ศึกษาพฤติกรรมซูเปอร์โซลิดได้

ประเด็นสำคัญ

• ทีมจากมหาวิทยาลัยวอร์ซอรายงานการสร้างคอนเดนเสตโพลาริตอนแบบซูเปอร์โซลิดในไมโครแควิตีที่มีผลึกเหลวเนมาติกและชั้นพอลิเมอร์ MeLPPP สองชั้น
• ริ้วความหนาแน่นที่รายงานเลือกตำแหน่งต่างกันในคอนเดนเสตแต่ละครั้ง และยังคงปรากฏแม้มีศักย์รบกวนแบบสุ่ม
• งานวิจัยยังรายงานการเกิดวอร์เทกซ์แบบสุ่ม ซึ่งเป็นคุณสมบัติที่พบในซูเปอร์ฟลูอิด
• บทสรุปทางวิชาการระบุว่าระบบทำงานที่อุณหภูมิห้อง ส่วนรายงานประกอบระบุว่าการจับคู่ที่เข้มข้นเกิดขึ้นใกล้ 60 องศาเซลเซียส
• ข้อเสนอเชิงทฤษฎีอีกชิ้นเมื่อเดือนกรกฎาคม 2024 คาดการณ์แบบแผนในเวฟไกด์ที่มีคาบประมาณ 21 ไมโครเมตร และวิเคราะห์การจำลองเชิงตัวเลข 300 ครั้ง
• การประมวลผลด้วยโฟโตนิกส์เป็นหนึ่งในการใช้งานที่เป็นไปได้ ขณะที่ผลหลักของงานนี้คือการก่อตัวและพฤติกรรมของสถานะควอนตัมที่ไม่ธรรมดา