Четвертое состояние вещества в новой форме — путь к изучению квантовых странностей

Сверхтекучее твердое тело, также называемое сверхтвердым телом, – особая фаза квантовой жидкости или квантового газа. Оно имеет кристаллическую структуру, словно привычное твердое тело, но частицы в нем способны перетекать без трения, словно в сверхтекучих жидкостях. Возникновение такого состояния вещества было теоретически обосновано еще в 1960-е гг. и подтвердилось экспериментально в 2000-е гг.

В основе исследований сверхтвердых тел лежит сильная полярность магнитных атомов, взаимодействие которых позволяет создать это парадоксальное состояние материи в лаборатории. Сверхтекучие твердые тела образуются с применением другого экзотического агрегатного состояния – конденсата Бозе-Эйнштейна (БЭК). В нем задействованы бозоны при температуре, близкой к абсолютному нулю. В этом случае большая часть атомов оказывается в минимально возможных квантовых состояниях, а потому квантовые эффекты становятся заметны на макроуровне. Все атомы в БЭК также обладают свойством делокализации, то есть одновременно находятся во всех точках вещества. 

Первоначально это состояние изучалось на основе объемного твердого гелия, но в дальнейших экспериментах использовались ультрахолодные атомарные газы. Например, в 2009 году в университете Беркли было получено состояние сверхтекучего твердого тела для газа рубидия. Однако все эти сверхтвердые тела оказывались одномерными и выглядели как цепочка капель, расположенных в линейку.

И вот теперь команда исследователей Инсбрукского университета разместила частицы не в одну линию, а по обе стороны от структурного фазового перехода, подобного тому, как это происходит в ионных цепочках или квантовых проволоках. 

При этом магнитные взаимодействия заставили частицы собраться в капли, то есть области с высокой плотностью, которые в дальнейшем выстраиваются в решетку. В итоге атомы диспрозия были вынуждены образовать кристалл, хотя по сути остаются газом.

В привычных состояниях вещества каждая частица была бы привязан к одной капле, но в сверхтекучем твердом теле из-за делокализации все атомы находятся одновременно во всех каплях. Именно это явление позволяет структуре проявлять себя как сверхтекучая жидкость.

По мнению исследователей, это открытие поможет физикам наблюдать дополнительный спектр квантовых странностей, которые не могут возникнуть в одномерном сверхтекучем твердом теле. Например, только в двухмерной системе между соседними каплями образуются вихри. Это явление, возникающее в сверхтекучих жидкостях, уже обосновано теоретически, но пока не было проверено экспериментально.