Две группы физиков независимо друг от друга экспериментально получили вещество в необычном состоянии – сверхтекучего твердого тела (supersolid), которое сочетает свойства кристаллического и сверхтекучего вещества.
Сверхтекучее твердое состояние вещества
© Julian Léonard, ETH Zurich
Возможность такого типа материи предсказали в 1969 году Александр Андреев и Илья Лифшиц и независимо Джефри Честер и Эгтони Леггет. Твердым телом данное состояние вещества называется с некоторой долей условности. Более точно его свойство отражало бы название сверхтекучий кристалл. Атомы в нем расположены в устойчивой структуре, подобно обычным кристаллам, но при этом оно может представлять собой сильно разреженный и охлажденный почти до абсолютного нуля газ. От сверхтекучих жидкостей в этой форме вещества остается их основное свойство: способность атомов двигаться без трения.
Получить вещество в таком состоянии физики пытались еще в 1980-х, но первые успешные эксперименты по его получению произошли только в XXI веке. В 2004 году Мозес Чань (Moses H. W. Chan) и Юн Шон Ким (Eunseong Kim) из Университета штата Пенсильвания провели опыты с твердым гелием-4, находящимся при очень низкой температуре и высоком давлении. Они обнаружили неожиданного уменьшения момента инерции крутильного маятника с твердым гелием, что было объяснено как проявление сверхтекучести. Однако впоследствии физики предложили другие объяснения полученных результатов. В 2012 году и сам Мозес Чань, проведя эксперимент по улучшенной методике, изложил убедительные доводы в пользу того, что сверхтекучесть в данной ситуации не возникает.
В 2009 году на ежегодной конференции Американского физического общества ученые из Калифорнийского университета в Беркли рассказали о получении сверхтекучего кристаллического рубидия. Пары рубидия были охлаждены до температуры 0,5 10-6 Кельвина, а его атомы удерживались при помощи специальных ловушек. В каждой из этих ловушек находилось по нескольку миллионов атомов, которые, как показало исследование при помощи лазера, образовали устойчивые структуры размером около пяти микрометров, а их взаимодействие друг с другом показало, что все они находятся в одном квантовом состоянии, то есть наблюдается явление сверхтекучести.
Сейчас положительные экспериментальные данные опубликовала в журнале Nature группа ученых из Центра ультрахолодных атомов Массачусетского технологического института и Гарвардского университета (MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms). Возглавлял исследователей профессор MIT Вольфганг Кеттерле (Wolfgang Ketterle).
Они сочетали испарительное охлаждение с удержанием атомов в магнитной ловушке и метод лазерного охлаждения, и в результате охладили атомы натрия до нескольких нанокельвинов. В этом состоянии натрий представляет собой особое сверхтекучее состояние разреженного газа, которое известно как конденсат Бозе – Эйнштейна. В 2001 году как раз за первое в мировой истории получение конденсата Бозе – Эйнштейна Вольфганг Кеттерле получил Нобелевскую премию по физике. В том его эксперимете также применялось удержание атомов в магнитных ловушках.
Затем при помощи лазера у половины атомов натрия был изменен спин, что привело, по сути, возникновению смеси двух сверхтекучих конденсатов Бозе – Эйнштейна. После этого лазерными лучами экспериментаторы переносили атомы из одного конденсата в другой, меняя их спин. При этом плотность конденсата спонтанно менялась, образуя своеобразные волны. Согласно теоретическим предсказаниям, такое состояние характерно именно для «сверхтекучего твердого тела». Его существование возможно только при сверхнизких температурах при сверхвысоком вакууме.
Теперь Вольфганг Кеттерле и его коллеги планируют продолжить эксперименты по спин-орбитальному взаимодействию в конденсате Бозе – Эйнштейна, чтобы выяснить свойства, получаемого состояния материи. «С помощью наших холодных атомов, мы определяем, что возможно в природе. Теперь, когда мы экспериментально доказали, что теории, предсказывающие суперсолид оказались верными, мы надеемся вдохновить дальнейшие исследования, возможно, с непредвиденными результатами», – профессор Кеттерле.
Другая группа работает в Институте квантовой электроники Швейцарской высшей технологической школы в Цюрихе (ETH Institute for Quantum Electronics) под руководством Тильмана Эсслингера (Tilman Esslinger). Она использовала альтернативный метод превращения конденсата Бозе – Эйнштейна в сверхтекучий кристалл. Исследователи поместили небольшое количество рубидия в вакуумную камеру и охладили до температуры всего на несколько миллиардных долей кельвина выше абсолютного нуля. Затем они поместили образовавшийся бозе-эйнштейновский конденсат в устройство из двух пересекающихся оптических резонансных камер, каждая из которых состоит из двух крошечных противостоящих зеркал. После этого конденсат затем освещается лазером, излучение которого рассеивалось обеих камерах. Сочетание двух световых полей в резонансных камерах заставляло атомы в конденсате принять регулярную кристаллическую структуру. При этом конденсат сохранял свойство сверхтекучести. Работа группы Эсслингера также опубликована в журнале Nature. Одновременное появление двух экспериментальных работ по сверхтекучим кристаллам показывает, насколько велик интерес исследователей к этой форме вещества.
Источник: Максим Руссо polit.ru
