Одновременно сверхтвердая и сверхтекучая материя. Как это возможно?
УченыеИнсбрукского университета имени Леопольда иФранца впервые создали двумерное сверхтвердое тело. Это необычное состояние материи было предсказано в1969 году, нодосих пор никому неудавалось воплотить теорию напрактике. Сверхтвердое тело — это необычное состояние материи, прикотором твердые тела ведут себя как жидкости, а атомы могут находиться во всех точках материи одновременно
Еще со школьных уроков физики мы знаем отрех состояниях материи — твердое, жидкое и газообразное. Вы могли слышать еще и о плазменном состоянии, которое достигается при помощи нагревания газа. Однако квантовая физика работает несколько иначе и допускает, что тело может обладать свойствами как жидкостей, так и твердых тел одновременно — их называют сверхтвердыми. Такое состояние интересно тем, что частицы сверхтвердого вещества расположены вжесткой твердой структуре, однако при этом они могут течь без какого-либо сопротивления.
Существование таких тел немогли доказать более полувека— лишь в2017 году ученыесумели получитьпервые образцы этой формы материи. Однако досих пор сверхтвердые состояния достигались только водномерном пространстве— тоесть, ввиде«листа» или цепочки капель.
Сверхтвердое тело намного сложнее, чем может показаться напервый взгляд. Посути, его атомы расположены вжесткой кристаллической структуре, как вобычном твердом теле, но они также могут течь (с нулевой вязкостью), подобно сверхтекучей жидкости. Это звучит парадоксально, но ученые считали подобное явление теоретически возможным с1960-х годов — ив 2017 году его наконец удалось подтвердить экспериментально.
Несколько групп исследователей создали сверхтвердые тела, используя другое состояние вещества, называемое конденсатом Бозе-Эйнштейна (БЭК). Оно представляет собой газовые облака атомов низкой плотности, охлажденные почти доабсолютного нуля. Втаких условиях проявляют странные квантовые аномалии, которые обычно ненаблюдаются вбольшем масштабе. Все атомы вБЭК существуют вкаждой точке облака одновременно благодаря явлению, получившему название «делокализация».
В предыдущих экспериментах сверхтвердые тела делались одномерными, так что атомы могли течь только водном направлении. Но недавно команда университета Инсбрука придала имсовершенно новое измерение: если проводить аналогию, то ученые превратили движение атомов поструне надвижение полисту бумаги. Этот БЭК состоял изатомовдиспрозия, имагнитные взаимодействия между частицами заставляли их собираться вкапли, которые сами выстраивались врешетку.
«Со стороны кажется, что каждый атом находится вопределенной капле, безвозможности перехода между ними», — пояснил Мэтью Норча, автор исследования. «Однако всверхтвердом состоянии каждая частица делокализована повсем каплям, существуя таким образом вкаждой капле одновременно. Посути, увас есть система срядом областей свысокой плотностью (капель), которые имеют одни ите же делокализованные атомы».
Команда заявляет, что этот прорыв может позволить физикам изучать совершенно новый диапазон квантовых странностей, недоступных одномерному супертвердому телу.
«Например, вдвумерной сверхтвердой системе можно изучить то, как вотверстии между несколькими соседними каплями образуются завихрения вещества», — заявил Норча. «Описанные мною вихри еще небыли продемонстрированы напрактике, но втеории они представляют собой важное следствие сверхтекучести».