Představuje jeden ze základních stavebních kamenů našeho vesmíru. Pohybuje se rychlostí bezmála 300 000 kilometrů za sekundu, proklouzává mezi prsty, nelze jej zavřít do krabičky a už vůbec ne zvážit na váze. Světlo. Po celá staletí představovalo pro vědce fenomén, který můžeme pozorovat, odrážet nebo lámat, ale nikdy ne uchopit jako fyzický objekt. Zkrotit světlo se zdálo být úkolem vyhrazeným pouze bohům či autorům science fiction.

Vědci si dlouho kladli otázku, zda je vůbec možné změnit samotnou podstatu světelného paprsku. Fyzikální zákony hovořily jasně: fotony, tedy částice světla, se navzájem ignorují. Procházejí jeden druhým, aniž by do sebe narazily – na rozdíl od atomů, z nichž jsme stvořeni my i svět kolem nás.

Záhada v polovodičovém vězení

Abychom pochopili velikost tohoto okamžiku, musíme se podívat na samotné místo činu. Nešlo o obří urychlovač částic o rozloze menšího města. Italští vědci použili speciální mikroskopickou platformu vyrobenou ze sloučeniny zvané AlGaAs (arsenid hlinito-galitý).

Když do této nepatrné struktury vpustili světlo, neproletělo ven. Ani se neodrazilo. Začalo se dít něco naprosto nepochopitelného. Světlo se uvnitř platformy začalo samo od sebe uspořádávat do opakujícího se prostorového vzoru. Vytvořilo mřížku. Stalo se pevnou látkou.

A přece to nebyl obyčejný krystal.

Vědci zpozorovali, že i když je světlo organizované do pevné struktury, dokáže zároveň plynout prostorem naprosto bez jakéhokoliv měřitelného odporu či viskozity.

Zní to paradoxně? Představte si kostku ledu, která si dokonale zachovává svůj pevný, krystalický tvar, ale když ji položíte na stůl, dokáže bez jakéhokoliv tření protéct klíčovou dírkou jako ta nejřidší voda na světě.

Tato neuvěřitelná kombinace vlastností definuje stav hmoty, kterému fyzikové říkají supersolidita (superpevnost). Vědci po supersolidních stavech pátrají celá desetiletí. Většinou se je snažili vytvořit ochlazováním atomů helia nebo speciálních plynů na teploty blížící se absolutní nule(tedy téměř -273 stupňům Celsia). Tyto dřívější experimenty však vyžadovaly extrémní, finančně nesmírně náročné a vysoce nestabilní podmínky.

A teď tu před nimi leželo „zmrazené světlo“ za podmínek, které jsou v moderních laboratořích mnohem snáze dosažitelné. Jak je to vůbec možné?

Tajemství jménem polariton

Zde přichází rozuzlení celého dramatu a obrovský triumf lidského rozumu. Vědci ve skutečnosti nezmrazili pouze čisté světlo ve vakuu – pro něco takového by fyzikální zákony skutečně neměly pochopení. Místo toho využili fascinující kvantový trik.

Když fotony (částice světla) proniknou do polovodičové struktury z arsenidu hlinito-galitého, začnou extrémně silně interagovat s tamní hmotou – konkrétně s excitovanými elektrony. Tato interakce je natolik intenzivní, že světlo a hmota ztratí svou oddělenou identitu.

Představte si to jako míchání těsta. Když spojíte mouku (hmotu) a vodu (světlo) a začnete rychle míchat, vznikne vám zcela nová substance, která se nechová ani jako suchá mouka, ani jako tekoucí voda. V kvantovém světě takto spojením fotonu a hmoty vzniká „hybridní částice“ – polariton.

Proč jsou polaritony tak výjimečné?

Mají hmotnost: Díky materiálové složce získávají fotony iluzi hmotnosti, což jim umožňuje do sebe navzájem narážet a interagovat.Jsou neuvěřitelně rychlé: Díky světelné složce si zachovávají svou dynamiku a extrémní lehkost.

Právě tyto hybridní částice se v experimentu začaly chovat jako superpevná látka. Fotony si oblékly „kabát“ z hmoty, aby se mohly na prchavý okamžik stát krystalem, který teče zcela bez tření.

Kvantový skok a nová éra technologií

Možná se teď ptáte: „Je to sice úchvatné, ale k čemu nám bude zmrazené světlo v praxi dobré?“

Odpověď leží v budoucnosti našich technologií. Dosud jsme byli zvyklí, že informace zpracovávají elektrony putující po křemíkových deskách (současné počítače). Nyní, když výzkumníci prokázali, že mohou manipulovat se světlem (které přenáší informace mnohem rychleji a s nižšími ztrátami) do podoby organizované struktury bez viskozity, otevírají se nám dveře do budoucnosti, jakou jsme si dosud neuměli ani představit.

Tento průlom může podle samotných výzkumníků zásadně posunout hned několik oborů:

Fotonická zařízení nové generace: Počítače a čipy, které budou k přenosu dat a výpočtům využívat světlo místo elektřiny. Budou řádově rychlejší a nebudou se přehřívat.Dokonalé senzory: Díky absenci viskozity a odporu mohou vlastnosti tohoto supersolidního světla posloužit k výrobě extrémně přesných měřicích přístrojů pro navigaci, lékařství či mapování hlubokého vesmíru.Hardware pro kvantové výpočty: Stabilita a unikátní chování polaritonů může být oním chybějícím dílkem skládačky pro vytvoření stabilních a výkonných kvantových počítačů. Ty dokážou vyřešit problémy, na něž by dnešní superpočítače potřebovaly tisíce let.

To, co začalo jako na první pohled absurdní myšlenka „zmrazit světlo“, se ukázalo být elegantním tancem mezi kvantovou fyzikou a materiálovým inženýrstvím. Italští vědci dokázali, že hranice toho, co považujeme za nemožné, jsou často jen iluzí, kterou stačí nasvítit ze správného úhlu.

Až příště rozsvítíte žárovku a paprsek světla bleskově zaplaví místnost, vzpomeňte si, že někde v laboratoři se právě tento nepolapitelný živel tiše a spořádaně formuje do pevného krystalu. Budoucnost už se píše. A tentokrát inkoustem ze světla.

Díky, že jste se společně se mnou odvážili nahlédnout do laboratoře, kde se světlo mění v pevný krystal! Pokud vás fascinuje představa, že už brzy možná budeme mít počítače, které neběží na elektřinu, ale na „zmrazené světlo“, budu rád za vaši podporu. I symbolický příspěvek mi pomůže dál sledovat tyto fyzikální revoluce a přinášet vám fakta o technologiích, které doslova přepisují učebnice.

Dočetli jste až sem? Podpořte autora libovolnou částkou.