Странное сверхтвердое состояние материи создано в новом измерении
В предыдущих экспериментах сверхтвердые тела создавались одномерными, так что атомы могли течь только в одном направлении
Помимо основных хорошо известных состояний материи — твердого тела, жидкости, газа и плазмы — в лабораториях возникает множество экзотических состояний. Одно из них, известное как «сверхтвердое тело», было подтверждено только несколько лет назад, и теперь исследователи из Университета Инсбрука создали его в новой двумерной форме.
Сверхтвердое тело — это не совсем то, чем может показаться сначала. По сути, его атомы расположены в жесткой кристаллической структуре, как в обычном твердом теле, но они также могут течь с нулевой вязкостью, как сверхтекучая жидкость. Это звучит парадоксально, но ученые считали это теоретически возможным с 1960-х годов — и в 2017 году это было наконец экспериментально подтверждено.
Несколько групп исследователей создали сверхтвердые тела, используя другое состояние вещества, называемое конденсатом Бозе-Эйнштейна (БЭК). Конденсат состоит из газового облака атомов низкой плотности, охлажденного почти до абсолютного нуля, и в этот момент проявляют странные квантовые причуды, которые обычно не наблюдаются в таких больших масштабах. Все атомы в БЭК существуют в каждой точке облака одновременно — явление, называемое делокализацией.
В предыдущих экспериментах сверхтвердые тела создавались одномерными, так что атомы могли течь только в одном направлении. Теперь ученые из Инсбрука дали им совершенно новое измерение, превратив их в движение по струне в движение по листу бумаги. Этот БЭК состоял из атомов диспрозия (редкоземельный серебристо-серый металл), и магнитные взаимодействия между атомами заставляли их собираться в капли, которые сами выстраивались в сетку.
«Обычно можно подумать, что каждый атом находится в определенной капле, без возможности попасть между ними», — говорит Мэтью Норча, автор исследования. «Однако в сверхтвердом состоянии каждая частица делокализована по всем каплям, существующим одновременно в каждой капле. По сути, у вас есть система с рядом областей с высокой плотностью (капель), которые имеют одни и те же делокализованные атомы».
Ученые заявляют, что этот прорыв может позволить физикам изучать совершенно новый диапазон квантовых странностей, недоступных одномерному супертвердому телу.
«Например, в двумерной сверхтвердой системе можно изучить, как вихри образуются в отверстии между несколькими соседними каплями», — говорит Мэтью Норча. «Теоретически описанные вихри еще не были продемонстрированы, но они представляют собой важное следствие сверхтекучести».