Суперсолід одночасно є кристалічним і надтекучим

Фізики Массачуссетського технологічного інституту створили нову форму матерії - супертверду, яка об'єднує властивості твердих тіл з властивостями надтекучості.

Використовуючи лазери для управління надтекучим газом, відомим як конденсат Бозе-Ейнштейна, команда змогла зафіксувати конденсат в квантовій фазі матерії, яка має жорстку структуру - як тверде тіло - і може текти без в'язкості - ключова характеристика надтекучої речовини. Дослідження цієї явно суперечливої фази матерії могла б дати більш глибоке розуміння сверхтекучей і надпровідної матерії, які важливі для удосконалення технологій, таких як надпровідні магніти і датчики, а також для ефективного переносу енергії. Дослідники повідомляють про результати на цьому тижні в журналі Nature.

«Нелогічно мати матеріал, який поєднує в собі надтекучість і міцність, - говорить керівник групи Вольфганг Кеттерле, професор фізики в Массачусетському технологічному інституті. «Якби ваша кава була б надтекучою, і ви б її струснули, вона продовжувала би обертатися вічно».

Фізики передбачили можливість суперсолідов, але не спостерігали їх в лабораторії. Вони припустили, що твердий гелій може стати надтекучим, якщо атоми гелію можуть переміщатися в твердому кристалі гелію, фактично перетворюючись на супертвердих. Однак експериментальне підтвердження залишалося невловимим.

Команда використовувала комбінацію лазерного охолодження і методів випарного охолодження, спочатку розроблену Кеттерле, для охолодження атомів натрію до наноклавінних температур. Атоми натрію відомі як бозони, для їх парного числа нуклонів і електронів. При охолодженні до майже абсолютного нуля бозони утворюють надтекучий стан розведеного газу, званого конденсатом Бозе-Ейнштейна, або БЕК.

Кеттерле відкрив БЕК - відкриття, за яке він був удостоєний Нобелівської премії з фізики 2001 року.

«Тепер була задача додати щось в БЕК, щоб переконатися, що він розвинув форму, що виходить за форму « атомної пастки », яка є визначальною характеристикою твердого тіла», пояснює Кеттерле.

Перевернувши спін, знайшовши смуги

Щоб створити супертвердий стан, команда маніпулювала рухом атомів БЕК за допомогою лазерних пучків, вводячи «спін-орбітальну взаємодію».

У своїй високовакуумній камері команда використовувала вихідний набір лазерів для перетворення половини атомів конденсату в інший квантовий стан або спін, по суті створюючи суміш двох конденсатів Бозе-Ейнштейна. Додаткові лазерні промені потім переносили атоми між двома конденсатами, звані «переворот спина».

«Ці додаткові лазери дали «спін-перевернутим» атомам додатковий поштовх для реалізації спін-орбітального зв'язку» - каже Кеттерле.

Фізики передбачили, що спін-орбітальний пов'язаний конденсат Бозе-Ейнштейна буде суперсолідом через спонтанні «модуляції щільності». Як кристалічне тверде тіло, щільність супертвердих більше не є постійною і замість цього має брижі або хвилеподібний малюнок, що називають «смугами фази».

«Найскладніше було спостерігати цю модуляцію щільності», говорить Джунрі Лі, аспірант Массачусетського технологічного інституту, який працював над відкриттям. Це спостереження було виконано за допомогою іншого лазера, пучок якого дифрагований за допомогою модуляції щільності. «Рецепт суперсоліда дуже простий, - додає Лі, - але було дуже складно точно вирівняти всі лазерні промені і зробити все стабільним, щоб спостерігати за смугою фази».

Відображення того, що можливо в природі

В даний час суперсолід існує тільки при екстремально низьких температурах в умовах надвисокого вакууму. Надалі команда планує провести подальші експерименти по суперсолідам і спін-орбітальної зв'язку, характеризуючи і розуміючи властивості нової форми матерії, яку вони створили.