Изследователи съобщават, че са наблюдавали най-ясните доказателства за съществуването на това невероятно екзотично теоретично състояние на материята, наречено свръхфлуидно твърдо тяло.
И макар че то просъществува само за кратък момент в лабораторията им, това е най-дългото време, което някога е постигано. Това поставя основата за бъдещи изследвания на естеството на тази екзотична фаза на материята и представлява още една стъпка към разбирането на едни от най-странните и перспективни за практиката за явления във физиката, протичащи без загуби - свръхфлуидността и свръхпроводимостта.
Твърдото тяло е твърдо, а течността тече - това е ясно разграничение в нашия класически свят. Но това разделение се разпада при свръхниски температури, където преобладават квантовите ефекти, позволявайки съществуването на една странна форма на материята, наречена свръхфлуидно твърдо тяло. Атомите на този материал имат пространствената периодичност на кристал, но могат да текат без триене.
При температури близо до абсолютната нула атомите са в най-ниското си енергийно ниво. При тези температури квантово-механичните ефекти стават забележими. В резултат на вероятностното им позициониране атомите ще са като размити топки. Това състояние се нарича Бозе-Айнщайнов кондензат и е получено преди повече от 20 години в Обединения институт за лабораторна астрофизика (JILA), Боулдър, Колорадо през 1995 година. Бозе-Айнщайновият кондензат е механизмът, по който възникват "екстремни" свойства на свръхфлуидност (движение на течност без триене) при 4Hе (изотопа хелий-4) и свръхпроводимост (ел. ток без съпротивление).
Трябва да се отбележи, че в научните статии терминът "свръхфлуидно твърдо тяло" (на англ. Supersolid - буквално: свръхтвърд), не описва твърдо тяло, а по-скоро кристал, притежаващ свръхфлуидност. А самото явление ще наричаме свръхсолидност.
Предсказана преди 50 години, подобна контраинтуитивна фаза, притежаваща доста противоположни свойства, отдавна се търси в един изотоп на хелия, хелий-4, където продължават експериментите, а след това в квантовите газове, където са открити доказателства за свръхсолидност в Бозе-Айнщайновите кондензати (БЕК) с манипулирани със светлина атоми.
Сега три изследователски екипа отбелязват, че са наблюдавали свръхфлуидно твърдо състояние в диполни (магнитни) квантови газове на редкоземните елементи ербий и диспрозий.
Въпреки че ербий-166 и диспрозий-164 са добри кандидати за индуциране на свръхсолидно поведение, резултатите са различни.
В Бозе-Айнщайнов кондензат от диполярни атоми (белите стрелки), ще се образуват плътни „капки” (тъмносиньо) поради сложното взаимодействие между потенциалната яма (сива линия), диполните и контактните взаимодействия на атомите и квантовите флуктуации. Екипите Modugno, Pfau и Ferlaino създадоха условия за постигане на съгласуваност между отделните капчици на фона на атомите от Бозе-Айнщайновия (светло синьо) в потенциалната яма. Тази съгласуваност осигурява непряко доказателство на свръхфлуидно твърдо тяло. Кредит: APS / Alan Stonebraker
И трите екипа демонстрират взаимната фазова кохерентност между капчиците - индиректна индикация за свръхфлуидност. Изследователите направиха това, като позволиха на вълните на атомите да интерферират, когато целият облак се освободи от капана и се остави да се разшири. Този тест е подобен на търсенето на интерференция на вълните, излизащи от подреден масив от отделни кохерентни точкови източници - интерференчната картина винаги се появява някъде, независимо от това дали източниците са свързани един с друг. Но показвайки, че интерференчният модел винаги се появява в една и съща точка в пространството за повтарящи се експерименти, трите групи могат да докажат взаимната кохерентност на капките.
* Kохерентност означава съгласуваност, синхронност между вълновите процеси като разликата във фазите им е постоянна , т.е имат еднаква честота. Може да се каже, че кондензатът на Бозе-Айнщайн се различава от обикновен охладен газ така, както лазерен лъч от светлината на крушка. Поради това свойство е възможно да се разглежда целия кондензат като една голяма вълна, аналогично на светлинна вълна, произведена от лазер (да не забравяме, че фотоните са бозони).
Основната разлика в трите експеримента е в стабилността на този свръхсолиден подпис. Два от екипите - единият, воден от Джовани Модуньо (Giovanni Modugno) от Университета във Флоренция, Италия [1], а другият - от Тилман Пфау (Tilman Pfau) от Университета в Щутгарт, Германия [2] - използваха изотопа диспрозий-162 (162Dy). Те достигат продължителност на свръхфлуидните свойства до десетки милисекунди.
Третият екип, воден от Франческа Ферлайно (Francesca Ferlaino) от Университета в Инсбрук, Австрия, изследва два други изотопа, ербий-166 (166Er) и диспрозий-164 (164Dy) [3]. 164Dy има естествено доминиращи диполярни взаимодействия. В резултат на това екипът минимизира загубите на атоми, което позволява свръхсолидно поведение, продължило повече от 150 милисекунди.
"В експериментите с ербиевия изотоп наблюдаваното свръхсолидно състояние е "само преходно", за разлика от него, Бозе-Айнщайновият кондензат на диспрозия демонстрира "безпрецедентна стабилност" в свръхсолидност", обяснява водещия изследовател на първата група учени Франческа Ферлайно (Francesca Ferlaino) от Института за експериментална физика в Университета в Инсбрук.
"В действителност, докато в ербий-166, свръхсолидното поведение оцелява само няколко десетки милисекунди, наблюдаваме кохерентни модулации на плътността за повече от 150 милисекунди при диспрозий-164."
Разбира се, 150 милисекунди може да не изглеждат много време, но за една невероятно екзотична и почти невъзможна фаза на материята, е чудо, че е видяна изобщо.
Засега такива материали могат да съществуват само при изключително ниски температури и други екстремни условия, които е невъзможно да се осигурят извън някои лаборатории, но по-нататъшното им изучаване може да ни помогне да достигнем до създаването на практика на свръхпроводимите материали, способни да пренасят ток с нулеви загуби.
Препратки:
- L. Tanzi, E. Lucioni, F. Famà, J. Catani, A. Fioretti, C. Gabbanini, R. N. Bisset, L. Santos, and G. Modugno, “Observation of a dipolar quantum gas with metastable supersolid properties,” Phys. Rev. Lett. 122, 130405 (2019).
- F. Böttcher, J.-N. Schmidt, M. Wenzel, J. Hertkorn, M. Guo, T. Langen, and T. Pfau, “Transient Supersolid Properties in an Array of Dipolar Quantum Droplets,” Phys. Rev. X 9, 011051 (2019).
- L. Chomaz et al., “Long-Lived and transient supersolid behaviors in dipolar quantum gases,” Phys. Rev. X 9, 021012 (2019).
Източници:
Viewpoint: Dipolar Quantum Gases go Supersolid, Рhysics
We Just Got The Best Evidence Yet of an Exotic 'Supersolid' State of Matter, ScienceAlert
Quantum gas turns supersolid, University of Innsbruck
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари