Физики создают новое состояние материи
Две группы физиков самостоятельно создали таинственное новое состояние материи. Состояние известно как «супертвердое», и оно объединяет свойства как твердого, так и сверхтекучего состояний.
Твердые, жидкие или газообразные — мы сталкиваемся с этими тремя классическими состояниями вещества каждый день. Трудно себе представить, чтобы вещества могли одновременно проявлять свойства двух из этих состояний.
Иллюстрация супертвердого состояния, в котором свойства жидкости без трения и кристаллического состояния совпадают. Фото: Джулиан Леонард, ETH Цюрих.
Тем не менее, именно такое явление возможно в области квантовой физики, где материя может отображать поведения, которые кажутся взаимоисключающими. «Супертвердое» является одним из примеров такого экзотического состояния.
В супертвердости атомы расположены в кристаллической структуре и в то же время ведут себя подобно сверхтекучей жидкости, в которой частицы движутся без трения.
До сих пор сверхтвердость была лишь теоретической конструкцией.
Но в номере от 2 марта журнала Nature две группы исследователей сообщают об успешном производстве супертвердого состояния.
Одна из команд, возглавляемая профессором физики Массачусетса Вольфгангом Кеттерле, использовала комбинацию лазерного охлаждения и методов испарительного охлаждения для охлаждения атомов натрия до наноклавинных температур .
Атомы натрия известны как бозоны, для их четного числа нуклонов и электронов. При охлаждении до почти абсолютного нуля бозоны образуют сверхтекучее состояние разбавленного газа, называемого конденсатом Бозе-Эйнштейна .
Профессор Кеттерле и соавторы манипулировали движением атомов бозе-эйнштейновского конденсата с помощью лазерных пучков, вводя «спин-орбитальное взаимодействие».
В своей сверхвысоковакуумной камере исследователи использовали исходный набор лазеров для преобразования половины атомов конденсата в другое квантовое состояние или спин, по существу создавая смесь двух конденсатов Бозе-Эйнштейна.
Дополнительные лазерные лучи затем переносили атомы между двумя конденсатами, называемые «переворот спина».
«Эти дополнительные лазеры дали «спин-переворачиваемым» атомам дополнительный толчок для реализации спин-орбитальной связи», — объясняет проф. Кеттерле.
Физики предсказали, что спин-орбитальный связанный конденсат Бозе-Эйнштейна будет суперсолидом из-за спонтанной «модуляции плотности». Как кристаллическое твердое тело, плотность супертвердых больше не является постоянной и вместо этого имеет рябь или волнообразный узор, называемый «полосатой фазой».
В настоящее время вещество существует только при экстремально низких температурах в условиях сверхвысокого вакуума.
В дальнейшем профессор Кеттерле и его коллеги планируют провести дальнейшие эксперименты по сверхсолидам и спин-орбитальной связи, характеризующие и понимающие свойства новой формы материи, которую они создали.
«С нашими холодными атомами мы определяем то, что возможно в природе. Теперь, когда мы экспериментально доказали, что теории, предсказывающие суперсолиды, правильны, мы надеемся вдохновить дальнейшие исследования, возможно, с непредвиденными результатами», — сказал профессор Кеттерле.
Другая исследовательская группа под руководством профессора Тилмана Эслингера из Института квантовой электроники ETH использовала альтернативный способ превращения конденсата Бозе-Эйнштейна в супертвердую с помощью зеркал.
Чтобы создать супертвердое состояние, проф. Эслингер и соавторы ввели небольшое количество рубидиевого газа в вакуумную камеру и охладили его до температуры в несколько миллиардов кельвинов выше абсолютного нуля.
Затем они помещали конденсат в устройство с двумя пересекающимися оптическими резонансными камерами, каждое из которых состояло из двух крошечных противолежащих зеркал.
Затем конденсат освещался лазерным светом, который рассеивался в обе эти камеры.
Комбинация этих двух световых полей в резонансных камерах заставила атомы в конденсате принять правильную, кристаллическую структуру.
Конденсат сохранил свои сверхтекучие свойства — атомы в конденсате все еще могли течь без какой-либо энергии, по крайней мере в одном направлении, что невозможно в «нормальном» твердом теле.
«Мы смогли создать это особое состояние в лаборатории благодаря сложной установке, которая позволила нам сделать две резонансные камеры идентичными для атомов», — сказал профессор Эслингер.
«Одновременная реализация двумя группами показывает, насколько велика заинтересованность в этой новой форме материи», — сказал профессор Кеттерле.
