Австрийские физики создали двумерное сверхтвёрдое и сверхтекучее тело (фото)

Группа австрийских учёных создала первое двумерное сверхтвердое тело — кажущийся противоречивым тип материи, одновременно обладающий свойствами твердого тела и сверхтекучей жидкости.

Речь идёт о двумерном сверхтвердом квантовом газе. До сих пор он наблюдался только в одном измерении. Результаты эксперимента были опубликованы в журнале Nature 18 августа.

Из повседневной жизни мы знакомы с тремя состояниями материи: твердым, жидким и газообразным. Но в квантовом мире всё сложнее: некоторые вещества бывают как твердыми, так и жидкими.

Существование сверхтвёрдых тел было предсказано больше 50 лет назад. Исследовательской группе под руководством Франчески Ферлайно из отдела экспериментальной физики Университета Инсбрука и Института квантовой оптики и квантовой информации Австрийской академии наук в Инсбруке впервые удалось сформировать одновременно кристалл и сверхтекучую жидкость — это особенное состояние вещества, когда оно может течь без трения, поэтому теоретически, если вы перемешаете его в чашке, оно будет вращаться вечно.

Эксперимент был основан на магнитных атомах и ультрахолодных квантовых газах, называемых конденсатом Бозе —Эйнштейна. Учёные выстроили атомы диспрозия (редкоземельного металла) в плоский лист и охладили почти до абсолютного нуля (минус 273 градуса по шкале Цельсия). Магнитное взаимодействие заставило атомы самоорганизовываться в капли и располагаться в регулярном порядке.

Команде Ферлайно удалось расширить это явление до двух измерений, создав системы с двумя или более рядами капель.

После того как физики охладили «лист» диспрозия, его атомы «размылись» до такой степени, что их границы расширились до границ самого листа. Лист как будто превратился в одну большую квантовую частицу и стал вести себя как сверхтекучая жидкость, та самая, которую «можно помешать ложкой». Здесь срабатывает принцип неопределённости Гейзенберга: квантовая частица не может одновременно иметь определённую скорость (импульс) и местоположение (координаты), и чем точнее известна её скорость, тем более «размыто» местоположение и наоборот.

Это открытие расширяет исследовательские перспективы. Например, в двумерной супертвердой системе можно изучить, как вихри, которые являются важным следствием сверхтекучести, образуются в отверстии между несколькими соседними каплями. Пока это экспериментальная область, и физики исследуют свойства частиц материи в экстремальных условиях.