Штутгартские физики впервые однозначно доказали суперконкурсное тело
Экзотическая квантовая материя является одновременно кристаллической и сверхтекучей
Сверхтвердые тела (в англ. Supersolids) описывают агрегатное состояние, которое можно описать просто как твердое и жидкое одновременно. Доказательство этой экзотической квантовой материи в последние годы было вызвано настоящей конкуренцией. Команда во главе с профессором Тилманом Пфау и Тимом Лангеном в 5. Физический институт Университета Штутгарта впервые получил экспериментальное доказательство того, что давно предсказанное сверхсолидное состояние вещества действительно существует. Исследователи описывают свои выводы в журнале Nature.
В повседневной жизни мы знаем три агрегатных состояния вещества - твердое, жидкое и газообразное. Если материя охлаждается до предела, возникают другие агрегатные состояния, такие как сверхтекучие жидкости, в которых атомы могут двигаться без сопротивления и без трения. На атомном уровне в игру вступает квантовая механика: отдельные частицы, такие как атомы или электроны, могут перекрываться и, например, непредсказуемо и случайным образом появляться в двух разных местах. Теоретически, однако, также возможно, что целые агрегатные состояния, такие как твердое или жидкое, накладываются друг на друга с образованием новых агрегатных состояний с новыми свойствами. Супертвердое тело представляет собой такую суперпозицию и состоит из кристаллической структуры твердого тела и супержидкости. Следовательно, частица могла непредсказуемо и случайно оказаться частью кристалла или сверхтекучей жидкости.
В этой экспериментальной установке исследователи из Штутгарта преуспели в использовании лазеров и магнитных полей для генерации суперкардиального тела из атомов диспрозия. Фото: Вольфрам Шейбл, Университет Штутгарта
Сверхтвердое вещество, произведенное в Штутгартском университете, состоит из атомов диспрозия, которые ведут себя как маленькие магниты. В эксперименте атомы охлаждаются почти до абсолютного нуля (-273 ° по Цельсию). В этот момент играют роль два типа взаимодействия между атомами: когда два атома подходят очень близко, они сталкиваются, как бильярдные шары. В то же время благодаря магнитному взаимодействию они также могут притягивать или отталкивать друг друга на больших расстояниях. Чтобы создать сверхтвердое тело, исследователи уравновешивают взаимосвязь между этими двумя силами таким образом, что одновременно формируются структура кристаллической решетки и так называемая сверхтекучесть - плавный поток атомов. «Мы смогли определить периодическое формирование кристаллов напрямую оптически и протестировать квантово-механическую суперпозицию с помощью интерференционных экспериментов», - объясняют свои измерения Минъян Го и Фабиан Бёттчер, докторант и докторант 5-го Физического института.
Доказательство с помощью звуковых волн
Команда получила неопровержимое доказательство того, что вещество, созданное в эксперименте, действительно является сверхтвердым, изучив два типа звуковых волн, распространяющихся в сверхтвердом веществе с разной скоростью. Такие звуковые волны распространяются совершенно по-разному в разных материалах — например, звук распространяется гораздо медленнее в воздухе, чем в воде. Этот «обычный» звук существует и в сверхтвердом веществе. Однако, поскольку сверхтвердое вещество одновременно является твердым и жидким, можно наблюдать и характерный второй тип звуковых волн, в котором кристалл и сверхтекучая жидкость движутся в точно противоположных направлениях. Это приводит к появлению звуковых волн с очень низкими скоростями, которые исследователи из Штутгарта смогли впервые наблюдать в своем эксперименте.
Наблюдения за сверхтвердым телом сообщаются снова и снова в последние годы. Но потом выяснилось, что никакие два типа звука не измерялись. «В этой всемирной гонке нам впервые удалось продемонстрировать все три условия супразолидного состояния в эксперименте с ультрахолодными атомами диспрозия», - радостно говорит Тилман Пфау. Впервые эксперименты штутгартских исследователей открывают возможность детального исследования экзотических свойств сверхтвердых тел.
На рисунке а) показан небольшой кристалл, в) сверхтекучая жидкость была получена из атомов, б) показана суперпозиция обоих - сверхтвердое тело. В определенном диапазоне параметров два свойства, которые являются взаимоисключающими в классическом мире, твердое и жидкое, могут существовать в квантовомеханической суперпозиции.
Технический контакт:
Проф. Тилман Пфау, Университет Штутгарта, 5. Физический институт, тел.: + 49 711 685-68025
