Четвертий стан речовини в новій формі – шлях до вивчення квантових дивацтв

0
28

Надтекуче тверде тіло, також зване надтвердим тілом, — особлива фаза квантової рідини або квантового газу. Воно має кристалічну структуру, немов звичне тверде тіло, але частинки в ньому здатні перетікати без тертя, немов в надтекучих рідинах. Виникнення такого стану речовини було теоретично обґрунтовано ще в 1960-і рр. І підтвердилося експериментально в 2000-і рр.

В основі досліджень надтвердих тіл лежить сильна полярність магнітних атомів, взаємодія яких дозволяє створити цей парадоксальний стан матерії в лабораторії. Надтекучі тверді тіла утворюються із застосуванням іншого екзотичного агрегатного стану-конденсату бозе-ейнштейна (бек). У ньому задіяні бозони при температурі, близькій до абсолютного нуля. У цьому випадку велика частина атомів виявляється в мінімально можливих квантових станах, а тому квантові ефекти стають помітні на макрорівні. Всі атоми в бек також мають властивість делокалізації, тобто одночасно знаходяться у всіх точках речовини.

Спочатку цей стан вивчався на основі об’ємного твердого гелію, але в подальших експериментах використовувалися ультрахолодні атомарні гази. Наприклад, у 2009 році в університеті берклі було отримано стан надтекучого твердого тіла для газу рубідію. Однак всі ці надтверді тіла виявлялися одновимірними і виглядали як ланцюжок крапель, розташованих в лінійку.

художнє зображення двомірного надтекучого тіла, в якому атоми збудовані в кристалічну решітку як в твердому тілі, але при цьому мають властивості надтекучої рідини. Зображення: iqoqi innsbruck / harald ritsch

І ось тепер команда дослідників інсбрукського університету розмістила частинки не в одну лінію, а по обидві сторони від структурного фазового переходу, подібного до того, як це відбувається в іонних ланцюжках або квантових дротах.

При цьому магнітні взаємодії змусили частинки зібратися в краплі, тобто області з високою щільністю, які в подальшому шикуються в решітку. В результаті атоми диспрозію були змушені утворити кристал, хоча по суті залишаються газом.

У звичних станах речовини кожна частинка була б прив’язаний до однієї краплі, але в надтекучому твердому тілі через делокалізацію всі атоми знаходяться одночасно у всіх краплях. Саме це явище дозволяє структурі проявляти себе як надтекуча рідина.

На думку дослідників, це відкриття допоможе фізикам спостерігати додатковий спектр квантових дивацтв, які не можуть виникнути в одновимірному надтекучому твердому тілі. Наприклад, тільки в двомірній системі між сусідніми краплями утворюються вихори. Це явище, що виникає в надтекучих рідинах, вже обгрунтовано теоретично, але поки не було перевірено експериментально.