Сверхтвердые материалы демонстрируют свойства, которые сложно объяснить и предсказать. Несмотря на жесткую кристаллическую структуру, свойственную твердым телам, они проявляют и характеристики, типичные для жидкостей, включая сверхтекучесть – способность течь без какого-либо трения. Сочетание этих, казалось бы, противоречивых свойств давно обсуждалось теоретически, однако экспериментальное подтверждение оставалось сложной задачей до недавнего времени. Недавнее научное открытие зафиксировало наличие квантовых вихрей в сверхтвердом веществе, что подтверждает его способность к сверхтекучему поведению. Данное открытие открывает новые возможности в области физики материалов и может привести к революционным технологиям.
Сверхтвердые тела и сверхтекучесть: парадоксальные явления
Сверхтвердое вещество представляет собой состояние материи, не соответствующее классическим физическим законам. Этот материал демонстрирует необычные свойства, сочетая в себе твердость и сверхтекучесть. Иными словами, сверхтвердое вещество сохраняет структуру, характерную для твердых тел, но при этом проявляет свойства, присущие сверхтекучим жидкостям.
Сверхтекучесть представляет собой квантовое явление, характеризующееся отсутствием вязкости у жидкости даже при крайне низких температурах. Благодаря этому жидкость способна подниматься вдоль стенок емкости или двигаться непрерывно, не задерживаясь. Впервые это явление было зафиксировано в 1930-х годах при исследовании гелия-4 и с тех пор привлекает значительный интерес со стороны физиков.
Среди наиболее примечательных свойств сверхтекучести — формирование квантовых вихрей. Эти миниатюрные спирали энергии возникают в процессе вращения сверхтекучей жидкости. Они служат важным признаком сверхтекучести, однако их наблюдение затруднено, особенно в сложных системах, например, в сверхтвердых телах. Сейчас это стало возможным. В результате нового исследования, результаты которого опубликованы в журнале , благодаря работе группы ученых под руководством физика Франчески Ферлайно, удалось создать квантовые вихри в двумерном материале с исключительно высокой твердостью.
Как исследователям это удалось?
В рамках этого сложного эксперимента ученые использовали газы из ультрахолодных атомов эрбия, которые характеризуются дипольными свойствами (атомы эрбия имеют значительный магнитный дипольный момент, что делает их особенно полезными для подобных исследований). Температура атомов была снижена до значений, близких к абсолютному нулю, благодаря созданию квантового газа, эффекты квантовой механики стали доминировать. После этого газ был преобразован в сверхтвёрдое состояние — фазу, характеризующуюся тем, что атомы, расположенные в упорядоченной кристаллической структуре, подобно твердому телу, проявляют свойства жидкости.
Для исследования сверхтекучести этого сверхтвердого тела ученые применили магнитные поля, чтобы вращать ультрахолодный газ из атомов эрбия. Ключевой задачей было создание движения без разрушения деликатной структуры сверхтвердого тела, так как даже незначительное увеличение энергии могло привести к его дестабилизации. Использование магнитных полей обеспечило плавное вращение сверхтвердого тела, сохраняя его кристаллическую структуру.
В результате смешения возникли квантовые вихри. Важно отметить, что в отличие от классических вихрей, которые можно наблюдать в воде или других жидкостях, квантовые вихри в сверхтекучей жидкости обладают крайне малым размером и чётко определены благодаря квантованию. Это подразумевает, что они формируются дискретными порциями энергии, что является ключевой особенностью квантовой механики.
Почему это открытие важно?
Как и предполагалось, исследователи обнаружили, что вихри в сверхтвердых материалах демонстрируют иное поведение по сравнению с классическими квантовыми жидкостями, например, гелием-4. В гелии-4, хорошо изученной квантовой жидкости, сверхтекучесть характеризуется способностью течь без какого-либо сопротивления. Однако в сверхтвердых материалах, обладающих свойствами как твердого, так и жидкого состояния, квантовые вихри указывают на одновременное проявление сверхтекучести и жесткости твердого тела. Иными словами, даже сохраняя свою твердую структуру, сверхтвердое тело способно демонстрировать свойства жидкости, вращающейся без потерь энергии. Это сосуществование, предсказанное теоретическими моделями, было подтверждено экспериментальными данными.
Данное открытие стало значительным шагом вперед как для фундаментальной физики, так и для науки о материалах. Оно открывает возможности для дальнейших исследований в области управления свойствами материала на квантовом уровне и может привести к революционным приложениям. В частности, сверхтвердые материалы и их сверхтекучие свойства могут найти применение в разработке новых типов сверхпроводников, обеспечивающих передачу электричества без потерь энергии, или в моделировании экстремальных явлений, наблюдаемых в астрофизических условиях.
Нейтронные звезды проявляют необычные явления, называемые «глюками», которые представляют собой внезапные изменения в скорости их вращения. Предполагается, что эти отклонения от нормы могут быть связаны с образованием сверхтекучих вихрей внутри звезд. Исследования квантовых вихрей в сверхтвердых материалах направлены на то, чтобы более глубоко понять эти процессы и, возможно, воссоздать их в лабораторных условиях.