Ученые обнаружили принципиально новое состояние материи: противоточную сверхтекучесть

Новости МирТесен

Экспериментальное исследование подтвердило наличие необычного состояния материи, известного как противоточная сверхтекучесть. Для достижения этого результата ученым потребовалось понизить температуру атомов рубидия до уровня приблизительно одного нанокельвина.

В тридцатые годы XX века физики зафиксировали феномен сверхтекучести в жидком гелии — выяснилось, что при определенных условиях он способен двигаться без какого-либо сопротивления, проникать через микроскопические капилляры и «перетекать» через стенки лабораторной посуды. Этот научный прорыв стал значительным этапом в прогрессе фундаментальной физики.

В начале 2000-х годов ученые сделали вывод, что подобное поведение свойственно не только гелию, но и конденсату Бозе — Эйнштейна. Данное состояние вещества определяется двумя параметрами: температура конденсата близка к абсолютному нулю, и оно в основном состоит из бозонов — частиц, которым современная физика « разрешает» пребывать в одном квантовом состоянии, если они одинаковы. К бозоном относят фотоны, глюоны и различные квазичастицы. Другому типу частиц, фермионам, к которым относятся электроны и кварки, такое запрещено, они подчиняются другим законам.

Изучение сверхтекучести стимулировало прогресс в области технологий, работающих при низких температурах, включая лазерное охлаждение и систему рефрижератора растворения. Эти разработки стали важными инструментами для квантовых симуляций, квантовых вычислений и смежных научных направлений.

Физики также высказывали предположения о существовании более сложных состояний вещества, основанных на сверхтекучести. Вычисления и теоретические разработки связывали эти состояния с изоляторами Мотта — веществами с кристаллической структурой и свойствами диэлектриков. Теория электрической проводимости предполагает, что они должны проявлять свойства проводников, однако особая электронная конфигурация делает их диэлектриками. Изоляторы Мотта используют в изучении сверхпроводимости.

Исследуя изоляторы Мотта, ученые высказали гипотезу о том, что наличие в составе вещества не одного, а как минимум двух типов атомов может привести к возникновению нового квантового состояния — противоточной сверхтекучести. В случае, если система формируется из однородных частиц, они оказываются «зафиксированными» и не способны, например, к туннелированию и перемещению внутри кристалла. Увеличение числа типов частиц приводит к усложнению взаимодействий в системе.

Противоточность возникает, когда два различных типа атомов «движутся» в противоположных направлениях с одинаковой скоростью. Даже если общий поток атомов равен нулю и перемещение масс и энергий равно нулю, противоток может сохраняться. Он также может быть сверхтекучим, то есть происходить без потерь энергии на трение.

Новое квантовое состояние материи было экспериментально обнаружено китайскими исследователями смоглипланируют изучать противоточную сверхтекучесть с использованием недавно созданного квантового газового микроскопа, а также атомов изотопа рубидия-87, охлажденных до температуры приблизительно одного нанокельвина и обладающих различными свойствами по осям Z и XY, удерживаемых в оптической решетке. Они описали открытие в журнале Nature Physics.

Авторы исследования утверждают о создании возможности наблюдать новое состояние вещества. Для подобных открытий принципиально важно, чтобы другие научные коллективы смогли воспроизвести полученные результаты и тем самым подтвердить сделанные учеными выводы. Несмотря на то, что публикация в авторитетном научном журнале обычно подразумевает детальную проверку представленных данных, независимые исследовательские группы могут обнаружить альтернативные физические процессы, происходящие во время эксперимента, и сформулировать иные заключения.