Физики придали странной новой фазе материи дополнительное измерение

Физики создали первое в истории двумерное сверхтвердое тело - причудливую фазу вещества, которая одновременно ведет себя как твердое тело и жидкость без трения.

Сверхтвердые тела - это материалы, атомы которых организованы в регулярную повторяющуюся кристаллическую структуру, но при этом способны течь вечно, не теряя при этом никакой кинетической энергии. Несмотря на их причудливые свойства, которые, по-видимому, нарушают многие известные законы физики, физики давно предсказали их теоретически - они впервые появились как предположение в работе физика Юджина Гросса еще в 1957 году.

Теперь, используя лазеры и сверхохлажденные газы, физики наконец-то превратили супертвердое тело в двумерную структуру, что позволило ученым раскрыть более глубокую физику, лежащую в основе таинственных свойств странной фазы материи.

Особый интерес для исследователей вызывает то, как будут вести себя их двумерные сверхтвердые тела, когда они будут вращаться по кругу, вместе с крошечными водоворотами или вихрями, которые будут появляться внутри них.

"Мы ожидаем, что мы многому научимся, изучая, например, вращательные колебания, а также вихри, которые могут существовать в двумерной системе гораздо легче, чем в одномерной", - говорит ведущий автор Мэтью Норча, физик из Института квантовой физики Инсбрукского университета.

Чтобы создать сверхтвердое тело, команда подвесила облако атомов диспрозия-164 внутри оптического пинцета, прежде чем охладить атомы до температуры чуть выше нуля по Кельвину (минус 273,15 градусов по Цельсию), используя технику, называемую лазерным охлаждением.

Стрельба лазером по газу обычно нагревает его, но если фотоны (световые частицы) в лазерном луче движутся в направлении, противоположном движущимся частицам газа, они действительно могут замедлить и охладить частицы газа. Охладив с помощью лазера атомы диспрозия, насколько это было возможно, исследователи ослабили хватку своего оптического пинцета, создав достаточно места для выхода наиболее энергичных атомов.

Поскольку "более теплые" частицы колеблются быстрее, чем более холодные, этот метод, называемый испарительным охлаждением, оставил исследователям только их переохлажденные атомы; и эти атомы были преобразованы в новую фазу материи - конденсат Бозе-Эйнштейна: совокупность атомов, которые были переохлаждены до абсолютного нуля в пределах волоска.

Когда газ охлаждается почти до нулевой температуры, все его атомы теряют свою энергию, переходя в одно и то же энергетическое состояние. Поскольку мы можем различать идентичные во всем остальном атомы в газовом облаке только по их энергетическим уровням, это выравнивание имеет глубокий эффект: когда-то разрозненное облако вибрирующих, покачивающихся, сталкивающихся атомов, составляющих более теплый газ, затем превращается из с квантово-механической точки зрения, совершенно идентично.

Это открывает дверь к действительно странным квантовым эффектам. Одно из ключевых правил квантового поведения, принцип неопределенности Гейзенберга, гласит, что нельзя знать, как положение частицы, так и ее импульс с абсолютной точностью. Однако теперь, когда атомы конденсата Бозе-Эйнштейна больше не движутся, весь их импульс известен. Это приводит к тому, что положения атомов становятся настолько неопределенными, что места, которые они могли бы занять, становятся больше по площади, чем пространство между самими атомами.

Таким образом, вместо дискретных атомов перекрывающиеся атомы в нечетком шаре конденсата Бозе-Эйнштейна действуют так, как если бы они были всего лишь одной гигантской частицей. Это придает некоторым конденсатам Бозе-Эйнштейна свойство сверхтекучести, позволяя их частицам течь без какого-либо трения. Фактически, если вы перемешаете кружку сверхтекучего конденсата Бозе-Эйнштейна, он никогда не перестанет закручиваться.

Исследователи использовали диспрозий-164 (изотоп диспрозия), потому что он (наряду со своим соседом по периодической таблице гольмием) является самым магнитным из всех обнаруженных элементов. Это означает, что, когда атомы диспрозия-164 были переохлаждены, они не только превратились в сверхтекучую среду, но и слиплись в капли, прилипая друг к другу, как маленькие стержневые магниты.

По словам Норча, "тщательно настроив баланс между дальнодействующим магнитным взаимодействием и ближним контактным взаимодействием между атомами", команда смогла создать длинную одномерную трубку из капель, которая также содержала свободно текущие атомы - одномерное супертвердое тело. Это была их предыдущая работа.

Чтобы совершить переход от одномерного к двухмерному сверхтвердому телу, команда использовала большую ловушку и снизила интенсивность пучков оптического пинцета в двух направлениях. Это, наряду с удержанием достаточного количества атомов в ловушке для поддержания достаточно высокой плотности, наконец, позволило им создать зигзагообразную структуру капель, подобную двум смещенным одномерным трубкам, сидящим рядом друг с другом, - двумерному сверхтвердому телу.

Теперь, когда перед физиками стоит задача его создания, они хотят использовать свой 2D-суперсолид для изучения всех свойств, возникающих в результате наличия этого дополнительного измерения. Например, они планируют изучить вихри, которые возникают и застревают между каплями массива, тем более что эти вихри вращающихся атомов, по крайней мере теоретически, могут вращаться по спирали бесконечно.

Это также приближает исследователей на шаг ближе к объемным, трехмерным, сверхтвердым телам, предусмотренным ранними предложениями, такими как Гросс, и даже к более инопланетным свойствам, которые они могут иметь.