Сверхтвердые вещества — это материалы, которые не поддаются логике и ожиданиям. На первый взгляд сверхтвердое тело кажется классическим твердым телом из-за его жесткой кристаллической структуры, но оно также обладает жидкими характеристиками, в том числе сверхтекучестью, которая позволяет ему течь без трения. Такое сосуществование противоположных на первый взгляд свойств давно теоретизировалось, но до недавнего времени экспериментальное подтверждение этих свойств оставалось сложной задачей. Однако недавний научный прорыв показал существование квантовых вихрей в сверхтвердом веществе, подтвердив его способность вести себя как сверхтекучая жидкость. Это открытие открывает новые перспективы в физике материалов и может иметь революционное применение.
Сверхтвердое тело и сверхтекучесть: парадоксальные понятия
Сверхтвердое вещество — это состояние материи, которое не подчиняется классическим законам физики. Этот материал обладает парадоксальными характеристиками: он одновременно твердый и сверхтекучий. Другими словами, сверхтвердое вещество сохраняет свою жесткую форму, как твердое, но обладает уникальной способностью сверхтекучей жидкости.
Сверхтекучесть — это квантовое явление, при котором жидкость течет без трения даже при очень низких температурах. Это позволяет жидкости подниматься по стенкам контейнера или двигаться бесконечно долго, никогда не останавливаясь. Впервые это явление было замечено в 1930-х годах на гелии-4 и с тех пор является интереснейшим объектом изучения для физиков.
Одной из наиболее интригующих особенностей сверхтекучести является образование квантовых вихрей. Эти маленькие спирали энергии образуются при вращении сверхтекучей жидкости. Они являются ключевым индикатором сверхтекучести, но их наблюдение затруднено, особенно в сложных системах, таких как сверхтвердые тела. Теперь это удалось. В новом исследовании, опубликованном в журнале Nature, группа под руководством физика Франчески Ферлайно совершила прорыв, создав квантовые вихри в двумерном сверхтвердом теле.
Как исследователям это удалось?
Для проведения этого сложного эксперимента исследователи использовали газы ультрахолодных атомов эрбия, известных своими дипольными свойствами (атомы эрбия обладают большим магнитным дипольным моментом, что делает их особенно подходящими для такого рода экспериментов). Атомы были охлаждены до температуры, близкой к абсолютному нулю, создав квантовый газ, в котором эффекты квантовой механики становятся преобладающими. Затем этот газ был переведен в сверхтвёрдое состояние — фазу, в которой атомы, хотя и расположены в регулярной кристаллической структуре, как в твердом теле, обладают свойствами жидкости.
Чтобы изучить сверхтекучесть этого сверхтвердого тела, исследователи использовали магнитные поля для вращения ультрахолодного газа атомов эрбия. Задача здесь заключалась в том, чтобы создать движение, не нарушая хрупкую структуру сверхтвердого тела, поскольку даже небольшой избыток энергии мог дестабилизировать состояние сверхтвердого тела. Магнитные поля позволили мягко вращать сверхтвердое тело, сохраняя при этом его кристаллическое сцепление.
Это перемешивание привело к образованию квантовых вихрей. Обратите внимание, что в отличие от классических вихрей, наблюдаемых в воде или других жидкостях, квантовые вихри в сверхтекучей жидкости чрезвычайно малы и четко определены, будучи квантованными. Это означает, что они возникают в небольших блоках энергии, что является фундаментальным аспектом квантовой механики.
Моделирование квантовых вихрей, наложенное на экспериментальные данные.
Почему это открытие важно?
Как и следовало ожидать, исследователи заметили, что вихри в сверхтвердом веществе ведут себя иначе, чем в классических квантовых жидкостях, таких как гелий-4. Если говорить точнее, то в гелии-4, хорошо изученной квантовой жидкости, сверхтекучесть проявляется в виде жидкостей, которые могут течь без сопротивления. Однако в сверхтвердом веществе, которое одновременно является твердым и жидким, квантовые вихри показывают, что сверхтекучесть сосуществует с жесткостью твердого тела. Другими словами, даже если сверхтвердое тело сохраняет свою жесткую форму, оно все равно может вести себя как жидкость, которая вращается без потери энергии. Такое сосуществование, предсказанное теорией, было подтверждено экспериментом.
Это открытие представляет собой крупный прогресс не только для фундаментальной физики, но и для материаловедения. Это открывает путь к новым исследованиям того, как свойствами материала можно манипулировать в квантовом масштабе и может иметь революционные применения. Например, сверхтвердые тела и их свойства сверхтекучести могут быть использованы для разработки новых типов сверхпроводников, которые передают электричество без потерь энергии, или даже для моделирования экстремальных явлений, наблюдаемых в астрофизических средах.
Например, нейтронные звезды демонстрируют загадочное поведение, известное как «глюки», то есть быстрые изменения скорости вращения. Эти аномалии могут быть вызваны сверхтекучими вихрями, которые образуются внутри этих звезд. Изучая квантовые вихри в сверхтвердых телах, ученые надеются лучше понять эти явления и воспроизвести их в лаборатории.
