Физики создали сверхтекучее твердое тело. Сверхтекучесть твердых тел

Сверхтекучее твёрдое тело | Virtual Laboratory Wiki

Сверхтекучее твёрдое тело (англ. Supersolid) — термодинамическая фаза квантовой жидкости, представляющей собой твёрдое тело со свойствами сверхтекучей жидкости.

Известно, что при охлаждении квантовой жидкости (конденсата Бозе — Эйнштейна) до определённой температуры она приобретает сверхтекучие свойства (например, нулевую вязкость, то есть не обладающую трением). В 1970 году был предположен способ охлаждения, который превращал бы 4He в supersolid тело, обладающее теми же свойствами, что и сверхтекучая жидкость. Однако, лишь в 2004 году физики Мозес Чан (Moses Chan) и Юн Шон Ким (Eun-Seong Kim) из Пенсильванского Государственного Университета смогли подтвердить это явление экспериментально.

В 2009 году физики из Калифорнийского университета в Беркли получили газ рубидия в состоянии сверхтекучего твёрдого тела [1] . О своих результатах ученые доложили на съезде Американского физического общества.

Отметим ошибку в названии русской новости, связанную с неустоявщейся русскоязычной терминологией. Рубидий не был твёрдым (по названию представляется слиток металла) , он был в виде разреженного газа, как и во всех современных экспериментах по исследованию бозе-систем с использованием щелочных металлов. Авторов новости, очевидно, сбило с толку слово "supersolid" -- англ. "сверхтекучее твёрдое тело" -- которое описывает специфическую фазу и пришло из теории фазовых переходов. Другой часто встречающийся неправильный перевод - "сверхтвёрдое тело" - не годится по той же причине, а также оттого, что выражает совсем другой смысл: что-то очень твёрдое. Например, специальные материалы с рекордной твёрдостью - алмаз, карбид вольфрама, оксид циркония и так далее.

В научных статьях термин "supersolid" описывает не твёрдое тело, а скорее кристалл, обладающий сверхтекучестью. В данном случае газообразный рубидий распределился по ячейкам, образованным полем оптической решётки, т.е. атомы были вынуждены образовать кристалл, по сути оставаясь разреженным газом).

Установка для получения данного эффекта, как и просто бозе-конденсации газов щелочных металлов, является весьма сложной в изготовлении и чрезвычайно дорогой (нужна внешняя ссылка на информацию!). В России до последнего времени таких установок не было. В 2009 году, возможно, появится первая установка в Нижнем Новгороде (нужна внешняя ссылка на информацию!)

Это достижение является следующим шагом в исследовании бозе-статистики и фазовых переходов, так как ранее существовали только теоретические работы, предполагавшие возможность такого состояния материи. Учитывая, что параметрами оптической решётки в данном эксперименте легко управлять, исследователи получили удобный экспериментальный способ изучения фазовых состояний бозе-газа при различных величинах многих параметров - плотность газа, постоянная решётки, сила взаимодействия между атомами. Это может помочь в объяснении высокотемпературной сверхпроводимости и других явлений, где до сих пор нет окончательного решения по механизму, и, хотя предложено много теоретических предположений, не было надёжных методов прямой проверки.

Эта страница использует содержимое раздела Википедии на русском языке. Оригинальная статья находится по адресу: Сверхтекучее твёрдое тело. Список первоначальных авторов статьи можно посмотреть в истории правок. Эта статья так же, как и статья, размещённая в Википедии, доступна на условиях CC-BY-SA .

ru.vlab.wikia.com

Физики впервые зафиксировали сверхтекучесть в твердом теле

Бозе-эйнштейновский конденсат в оптическом резонаторе с двумя парами зеркал

Julian Léonard et al. / Nature, 2017

Две независимые группы физиков из Высшей технической школы Цюриха и Массачусетского технологического института добились успеха в создании сверхтекучего твердого тела. Эта фаза, предсказанная теоретически более 60 лет назад, одновременно обладает свойствами кристалла (упорядоченностью на больших масштабах) и сверхтекучестью — отсутствием внутреннего трения. Все предыдущие попытки ее получения были недостаточно надежными и не были признаны научным сообществом. Исследования ранее были опубликованы на сервере препринтов arXiv.org (Li et al., Leonard et al.). Теперь работы прошли процедуру рецензирования и появились на страницах журнала Nature (Li et al., Leonard et al.).

Сверхтекучесть — квантовое явление, наблюдающееся при очень низких температурах. Оно проявляется в полном отсутствии внутреннего трения в материи. Например, в состояние сверхтекучести переходит изотоп гелия-4 при температурах около двух кельвин. Это приводит к необычным явлениям, так, сверхтекучий гелий способен вытекать даже из сосуда с высокими (по сравнению с уровнем гелия) стенками, просто поднимаясь по ним. Сверхтекучесть была обнаружена в жидкостях (жидкий гелий) и газах (бозе-эйнштейновский конденсат атомов рубидия), сверхтекучесть в твердых телах (кристаллах) была лишь предсказана в 1950-1970х годах.

Аномальное течение сверхтекучего гелия

Alfred Leitner "Liquid Helium, Superfluid"

Одним из основных кандидатов для наблюдения этого явления был твердый гелий, однако эксперимент 2004 года по исследованию эффекта не позволил однозначно подтвердить или опровергнуть это предположение. Одно из ожидаемых проявлений сверхтекучести в твердой фазе — перемещение дефектов в кристаллах без трения.

Главным отличием кристаллов от жидкостей и газов является упорядоченность частиц. В среднем жидкости и газы обладают одинаковыми свойствами в каждой точке бесконечного объема, это очень симметричная система, в которой любая трансляция (смещение) и поворот не меняют систему. Если же взять бесконечный кристалл, то окажется, что только определенные виды смещений переводят его в самого себя — нарушается симметрия. Кристалл состоит из набора идеально похожих друг на друга ячеек, каждая из которых, тем не менее, обладает своим ограниченным набором осей и плоскостей симметрии.

Помимо привычных кристаллов (например, соли и сахара), физики умеют создавать и другие необычные системы. Например, если поместить атомы очень холодного газа между двумя зеркалами и запустить внутрь луч лазера, то возникнет стоячая световая волна и атомы окажутся «заперты» в максимумах этой волны. Эта среда с точки зрения физики будет представлять собой твердое кристаллическое тело. Именно в таких твердых телах ученым впервые удалось зафиксировать сверхтекучесть.

Две группы использовали принципиально разные эксперименты для наблюдения сверхтекучести в твердых телах. Эксперимент группы из Швейцарии был устроен следующим образом. На первом этапе ученые создали бозе-эйнштейновский конденсат из атомов рубидия — все атомы в этом конденсате находятся в одинаковом квантовом состоянии и ведут себя как единый объект. Эта система уже обладает сверхтекучестью. Затем ее поместили между двумя парами зеркал, ориентированных под углом друг к другу и облучили атомы коротким импульсом-накачкой. Излучение атомов привело к возникновению стоячих оптических волн между зеркалами, превративших облако конденсата в периодическую структуру — аналог твердого тела. Благодаря двум парам зеркал физики могли управлять движением атомов и следить за изменением их состояния. Это и позволило подтвердить состояние сверхтекучей твердой материи.

а — схема эксперимента швейцарской группы, b — облако бозе-эйнштейновского конденсата перемещается, в зависимости от параметров зеркал резонатора c — изменение момента атома, связанное с рассеянием фотонов из разных резонаторов.

Julian Léonard et al. / Nature, 2017

Группа из Массачусетского технологического института использовала другой подход для создания твердого тела. Как и предыдущая группа, физики начали с создания бозе-эйнштейновского конденсата атомов (натрия, в данном случае). На следующем этапе ученые облучали атомы лазерным импульсом строго определенной длины волны, изменяя квантовое состояние атомов. В результате в частицах возникает спин-орбитальное взаимодействие. Это приводит к интерференции внутри облака атомов и возникновению протяженных периодических структур. Сверхтекучесть физики установили проанализировав распределение полного момента атомов. Интересно, что в группу авторов входит нобелевский лауреат Вольфганг Кеттерле, разработавший технику работы с бозе-эйнштейновскими конденсатами.

Схема возникновения периодической интерференционной картины в эксперименте американской группы.

Jun-Ru Li et al. / Nature, 2017

Оба примера сверхтекучих твердых тел относятся к одномерным кристаллам — они обладают периодичностью только вдоль одной оси. В будущем ученые надеются исследовать системы более детально. К примеру, неизвестно, способны ли эти сверхтекучие твердые тела поддерживать сверхтекучее течение, как они реагируют на внешние воздействия. Это потребует усовершенствования установок. Как отмечает Каден Хаззард из Университета Райса, сверхтекучие твердые тела особенно интересны из-за того, что в них сочетаются два связанных упорядочения, одно из которых связано с течением с нулевой вязкостью. «Каждое состояние вещества с нулевой вязкостью, наблюдавшееся до сих пор — сверхтекучий гелий, сверхпроводники, холодные конденсаты Бозе-Эйнштейна — сыграли большую роль в развитии теоретической физики и экспериментальных техник. Сверхтекучие твердые тела определенно дополнят этот список» — заключает физик.

Ранее мы сообщали о других исследованиях сверхтекучих материй. К примеру, в 2015 году физики из Новой Зеландии и США впервые описали сверхтекучий конденсат Бозе-Эйнштейна при помощи чисел Рейнольдса, а японский физик Хироко Сайто выяснил, возможно ли плавание в сверхтекучих жидкостях.

Владимир Королёв

nplus1.ru

Сверхтекучее твёрдое тело - это... Что такое Сверхтекучее твёрдое тело?

Сверхтеку́чее твёрдое те́ло (англ. Supersolid) — термодинамическая фаза квантовой жидкости, представляющей собой твёрдое тело со свойствами сверхтекучей жидкости.

Свойства суперсолида

Известно, что при охлаждении квантовой жидкости (конденсата Бозе — Эйнштейна) до определённой температуры она приобретает сверхтекучие свойства (например, нулевую вязкость, то есть не обладающую трением). Возможность сверхтекучести квантовых кристаллов была предсказана еще в 1969 году Андреевым и Лифшицем, а также независимо Честером и Легетом, однако экспериментально не было обнаружено никаких аномалий в свойствах твердого гелия.

Лишь в 2004 году Мозес Чан и Юн Шон Ким из Пенсильванского университета, проводя эксперименты с вращательным маятником, заполненным пористым стеклом с твёрдым гелием, обнаружили неклассический момент инерции, который интерпретировали, как переход части кристалла в сверхтекучее состояние[1].

Данная работа стимулировала разнообразные экспериментальные исследования, однако однозначного понимания до сих пор нет. Имеющиеся экспериментальные данные свидетельствуют о том, что аномальное поведение твердого гелия вызвано беспорядком в кристалле, наиболее вероятные причины которого: вакансии и дислокации, межзёренные границы, стекольная или жидкая фазы. Дальнейшие эксперименты показали, что интерпретация обнаруженного эффекта как перехода твёрдого гелия в сверхтекучее состояние была ошибочной[2][3].

В 2009 году физики из Калифорнийского университета в Беркли получили газ рубидия в состоянии сверхтекучего твёрдого тела.[4]

В научных статьях термин «supersolid» описывает не твёрдое тело, а скорее кристалл, обладающий сверхтекучестью. В данном случае газообразный рубидий распределился по ячейкам, образованным полем оптической решётки, то есть атомы были вынуждены образовать кристалл, по сути оставаясь разреженным газом).

Это достижение является следующим шагом в исследовании бозе-статистики и фазовых переходов, так как ранее существовали только теоретические работы, предполагавшие возможность такого состояния материи. Учитывая, что параметрами оптической решётки в данном эксперименте легко управлять, исследователи получили удобный экспериментальный способ изучения фазовых состояний бозе-газа при различных величинах многих параметров — плотность газа, постоянная решётки, сила взаимодействия между атомами. Это может помочь в объяснении высокотемпературной сверхпроводимости и других явлений, где до сих пор нет окончательного решения по механизму, и, хотя предложено много теоретических предположений, не было надёжных методов прямой проверки.

См. также

Примечания

Литература

Ссылки

dic.academic.ru

Сверхтекучее твёрдое тело — Википедия с видео // WIKI 2

Энциклопедичный YouTube

1/2
Просмотров:
265 611
20 185

Ученые открыли новое состояние материи
Физика твердых тел в Blender

Всем привет! Долгое время человечеству были известны лишь четыре агрегатных состояний вещества – твердое, жидкое, газообразное и плазма. Однако, совсем недавно, ученым удалось найти новое состояние квантовой жидкости. Но об этом далее, а сейчас - ставим лайк и смотрим до конца! Две группы ученых (из Массачусетского технологического института и Высшей политехнической школы Цюриха) разными путями получили очень странное состояние вещества, а именно: сверхтекучесть твердого тела. Или, говоря их языком - supersolid. На первый взгляд, два этих понятия — текучесть и твердое тело — взаимно исключают друг друга. Тем не менее, это состояние было предсказано еще более полувека назад. А вот теперь были получены надежные свидетельства о его существовании. Но давайте попробуем разобраться, что именно получили ученые. Для начала нужно вспомнить, что такое конденсат Бозе—Эйнштейна, ведь именно с этого обе команды начали свой путь. Такой конденсат представляет собой вещество, образованное бозонами — элементами, которые могут быть одновременно как частицами, так и волной. При сверхнизких температурах они демонстрируют видимые невооруженным глазом квантовые эффекты. Грубо говоря, физика микромира начинает явно проявляться в макромире. Одним из таких проявлений является сверхтекучесть - способность вещества, при понижении температуры до абсолютного нуля, проникать через все щели и капилляры без трения. Сверхтекучая жидкость, помещенная в пробирку, начинает ползти вверх по бокам сосуда, нарушая законы гравитации и поверхностного натяжения. А теперь представьте себе твёрдое тело со свойствами сверхтекучей жидкости. Сложно, не так ли? Вот и ученым было сложно! Ведь воссоздать сверхтекучесть в обычных кристаллах (вроде алмаза или кварца) они так и не смогли. Но физики из США предположили, что стать супер-жидкостью может твёрдый гелий. И только при условии, когда его атомы будут свободно перемещаться в пределах цельного кристалла. В итоге, обе группы получили новые странные кристаллы, в которых наблюдался еще более парадоксальный эффект сверхтекучести. С помощью лазерного охлаждения, при котором атомы излучают больше энергии, чем поглощают, исследователи уменьшили внутреннюю энергию атомов натрия, являющихся бозонами, до минимума. После этого у половины бозонов были изменены квантовые характеристики – спины. В результате, конденсат Бозе-Эйнштейна был преобразован в смесь из двух квантовых жидкостей. По словам физиков, плотность такого конденсата может спонтанно меняться, образуя рябь или волны. Такое состояние называется фазой полосы (stripe phase), и ее наличие характерно для сверхтекучего твердого тела. Ну а что же сделали ученые из Швейцарии? Они использовали рубидиевый газ. При сильном охлаждении он ведет себя как конденсат Бозе – Эйнштейна. Затем его поместили между двумя зеркалами, ориентированных друг к другу под определенным углом, и «направили» туда лазерный луч. Он немедленно образовал между зеркалами стоячую волну, превратившую облако конденсата в аналог твердого тела. Так физики смогли пополнить список очень странных состояний веществ, возможных только при низких температурах и только из-за квантовых эффектов. Стоит отметить, что обе группы ученых на данный момент ожидают проверки своих результатов другими исследователями. В будущем ученые надеются изучить этот вопрос более детально. К примеру, пока неизвестно, способны ли эти сверхтекучие твердые тела поддерживать сверхтекучее течение и как они реагируют на внешние воздействия? Но, в любом случае, скорой практической отдачи от этих экспериментов ждать не стоит. Сверхтекучее твёрдое тело существует лишь в труднодостижимых условиях, и пока неясно, какую пользу из него можно будет извлечь. Однако, бытует и другое мнение, что это открытие может положить начало целой цепочке других исследований, которые перевернут современную науку и кардинально изменят привычный... нам... мир.... А пока все! Поделитесь этим видео с друзьями и до новых встреч!

Содержание

Свойства

При охлаждении квантовой жидкости (конденсата Бозе — Эйнштейна) до определённой температуры она приобретает сверхтекучие свойства (в частности, нулевую вязкость, то есть отсутствие трения). Возможность сверхтекучести квантовых кристаллов была предсказана ещё в 1969 году Андреевым и Лифшицем, а также независимо Честером и Легеттом, однако экспериментально не было обнаружено никаких аномалий в свойствах твердого гелия. Лишь в 2004 году Мозес Чан и Юн Шон Ким из Пенсильванского университета, проводя эксперименты с вращательным маятником, заполненным пористым стеклом с твёрдым гелием, обнаружили неклассический момент инерции, который интерпретировали, как переход части кристалла в сверхтекучее состояние[1].

Данная работа стимулировала разнообразные экспериментальные исследования, однако однозначного понимания до сих пор нет. Имеющиеся экспериментальные данные свидетельствуют о том, что аномальное поведение твёрдого гелия вызвано беспорядком в кристалле, наиболее вероятные причины которого: вакансии и дислокации, межзёренные границы, стекольная или жидкая фазы. Дальнейшие эксперименты показали, что интерпретация обнаруженного эффекта как перехода твёрдого гелия в сверхтекучее состояние была ошибочной[2][3].

В научных статьях термин «supersolid» (дословно: сверхтвёрдый) описывает не твёрдое тело, а скорее кристалл, обладающий сверхтекучестью. В данном случае газообразный рубидий распределился по ячейкам, образованным полем оптической решётки, то есть атомы были вынуждены образовать кристалл, по сути оставаясь разреженным газом.

Это достижение является следующим шагом в исследовании бозе-статистики и фазовых переходов, так как ранее существовали только теоретические работы, предполагавшие возможность такого состояния материи. Учитывая, что параметрами оптической решётки в данном эксперименте легко управлять, исследователи получили удобный экспериментальный способ изучения фазовых состояний бозе-газа при различных величинах многих параметров — плотность газа, постоянная решётки, сила взаимодействия между атомами. Это может помочь в объяснении высокотемпературной сверхпроводимости и других явлений, где до сих пор нет окончательного решения по механизму, и, хотя сделано много теоретических предположений, не было надёжных методов прямой проверки.

См. также

Примечания

Литература

Ссылки

Эта страница в последний раз была отредактирована 29 марта 2018 в 11:18.

wiki2.org

Физики создали сверхтекучее твердое тело — Naked Science

Твердую, жидкую и газообразную фазы вещества, а также плазму знают практически все. Однако этим их список далеко не исчерпывается, и в экзотических (для нас) условиях существуют и другие фазы – такие как сверхтекучее твердое тело. Теоретически предсказанная более полувека назад, эта фаза до сих пор ни разу не наблюдалась на практике.

В 2009 году американские ученые предложили эксперимент с получением сверхтекучего твердого тела, частицы которого «пойманы» и охлаждены почти до абсолютного нуля между лазерными лучами оптической решетки. Однако попытки реализовать такой эксперимент закончились неудачей. Громкое заявление о получении сверхтекучего твердого рубидия, сделанное Дэном Стемпер-Курном (Dan Stamper-Kurn) на конференции Американского физического общества, после тщательной проверки также оказалось не слишком надежным свидетельством.

Частицы сверхтекучего твердого тела организованы в кристаллическую решетку и действительно сохраняют твердость. Однако оно демонстрирует и некоторые несвойственные обычному твердому телу свойства – в частности нулевую вязкость и отсутствие внутреннего трения. Предсказано, что гелий-4 может переходить в такое состояние при температуре в несколько нанокельвин. Многообещающая попытка получить его была предпринята группой Мозеса Чена (Moses Chan) из Пенсильванского университета в 2004 году. Однако позднее воспроизвести и подтвердить эти результаты не удавалось, а известный специалист в этой области Джон Реппи (John Reppy) нашел полученным Ченом данным и другое объяснение, без участия сверхтекучести твердого состояния. В итоге все проведенные эксперименты по получению такой фазы вещества до сих пор остаются спорными.

Однако теперь с заявлениями о наблюдениях этой экзотической фазы выступили сразу две группы ученых. Отчеты о своих экспериментах команда Нобелевского лауреата Вольфганга Кеттерле (Wolfgang Ketterle) из Массачусетского технологического института и команда Тобиаса Доннера (Tobias Donner) из Швейцарской высшей технической школы Цюриха представили на сервисе препринтов arXiv (1, 2).

Обе группы, работая независимо друг от друга, использовали конденсат Бозе – Эйнштейна, еще одну экзотическую фазу, получать которую в лаборатории сегодня можно достаточно легко. В этом состоянии бозоны находятся на минимальных энергетических уровнях, позволяя квантовым эффектам проявляться на макроскопическом уровне (за первую экспериментальную демонстрацию бозе-конденсата в 1995 г. Вольфганг Кеттерле как раз и получил Нобелевскую премию). В этот раз ученые из США и Швейцарии создавали в бозе-конденсате гелия-4 упорядоченные изменения плотности, как «виртуальную» кристаллическую решетку, притом что вещество в целом оставалось жидким и демонстрировало сверхтекучесть.

Памятуя проблемы предыдущих исследований, ни Кеттерле, ни Доннер не спешат публиковать свои отчеты в «больших» журналах, ожидая проверки полученных результатов независимыми группами и экспертами. Однако уже авторитет нобелиата из Массачусетского технологического института – да и его швейцарского коллеги – позволяет вполне обоснованно считать, что на этот раз сверхтекучее твердое тело все-таки будет получено.

naked-science.ru

Твердая сверхтекучесть | Наука и жизнь

Новая супертвёрдая форма вещества сочетает в себе свойства твёрдых тел и сверхтекучих жидкостей.

Поведение физических объектов в так называемых стандартных условиях – при комнатной температуре и атмосферном давлении – привычно и интуитивно понятно: никому не нужно объяснять, что такое жидкость, и вряд ли найдется человек, который удивится, увидев, как кофе выливается из перевернутой вверх дном чашки.

Распределение подвижности атомов рубидия в газообразном состоянии перед обращением их в конденсат Бозе–Эйнштейна (слева) и после (в центре и справа). (Иллюстрация: Wikipedia.)

Фрагмент лабораторного оборудования, использованного Кеттерле и его коллегами для создания сверхтвердого вещества. (Фото: MIT.)

‹

›

Но с тех пор, как человек обнаружил в мироздании квантовые законы, нашу бытовую интуицию со здравым смыслом вкупе пришлось сильно ограничить в правах. Корпускулярно-волновой дуализм, квантовое туннелирование, запутанные фотоны – всё это стало экспериментально подтверждённой реальностью. Даже представление об агрегатных состояниях вещества потребовалось расширить: к газу, жидкости и твёрдому телу добавилась плазма, с которой мы, впрочем, сталкиваемся довольно редко.

Физические свойства тел во многом зависят от температуры. Речь не только о том, будет ли вещество твёрдым, жидким или газообразным, температура еще и «маскирует» некоторые особенности, следующие из квантовой природы материи. Дело в том, что тепловое движение атомов в некотором смысле усредняет структуру вещества, и многие свойства, теоретически свойственные системе, «размазываются» тепловыми эффектами. Яркий пример – сверхпроводимость, – состояние, при котором электроны в металле образуют «связанные» пары, что позволяет току течь без какого-либо сопротивления. При повышении температуры электронные пары распадаются на обычные электроны, и в материале возникает сопротивление. Физика конденсированных сред упорно ищет материал, который бы оставался сверхпроводящим при комнатной температуре, ведь это бы позволило сделать огромный технологический прорыв.

Помимо сверхпроводимости существует мириад квантовых фаз с самыми разнообразными и экзотическими свойствами. Одно из них – это сверхтекучесть, то есть нулевая вязкость. Например, будь кофе сверхтекучим, он «выползал» бы из чашки, а если бы мы его размешали, он бы крутился в воронке бесконечно.

Чтобы избавиться от усредняющего эффекта теплового движения атомов, квантовые фазы вещества приходится изучать в экстремальных лабораторных условиях: при низких температурах, в глубоком вакууме, а иногда и в сверхвысоких магнитных полях. По мере понижения температуры тепловое движение уступает по энергии квантовым свойствам вещества, и свойства вещества приобретают контринтуитивный характер. Такие головоломки обычно ведут к «новой физике» – исследователи вынуждены уточнять существующие модели, а то и разрабатывать новую теорию, чтобы объяснить неожиданные эффекты.

Впрочем, иногда бывает и наоборот, когда теоретические предсказания бросают вызов экспериментаторам. Так, недавно теоретики предположили, что в твёрдом гелии возможна сверхтекучесть, если атомы гелия будут двигаться в твёрдом кристалле гелия, проявляя так называемое супертвёрдое поведение. Как наблюдать такое поведение экспериментально, впрочем, было неясно.

Экспериментаторы из Массачусетского технологического института под руководством Вольфганга Кеттерле (Wolfgang Ketterle) приняли вызов. Они использовали лазер, чтобы перевести так называемый конденсат Бозе-Эйнштейна (КБЭ) в квантовую фазу, которая обладает упорядоченностью, как твёрдое вещество, одновременно сохраняя способность течь с нулевой вязкостью, как это положено сверхтекучей жидкости. (Напомним, что сам Вольфганг Кеттерле одним из первых начал экспериментировать с холодными атомами и конденсатом Бозе-Эйнштейна, а в 2001 году он разделил Нобелевскую премию с Эриком Корнеллом и Карлом Виманом, которые впервые создали КБЭ в лаборатории.)

Физики использовали лазерное охлаждение в сочетании с испарительными методами охлаждения: как испарение воды с поверхности кожи понижает температуру тела, так и испарение жидкого гелия позволяет охладить образец до тысячных долей градуса выше абсолютного нуля. Затем атомы замедляют за счёт различных эффектов, возникающих при взаимодействии со светом, как, например, описано здесь. Таким образом атомы натрия были охлаждены до нескольких нанокельвинов выше абсолютного нуля (шкала Кельвина эквивалентна шкале Цельсия, только она отсчитывает температуру от абсолютного нуля, то есть 0 K = -273.15°C).

При такой низкой температуре атомы натрия находятся в особом агрегатном состоянии, или квантовой фазе, которая и называется конденсатом Бозе-Эйнштейна. КБЭ формируется из бозонов – частиц с целочисленным спином, которые подчиняются статистике Бозе. Главная особенность бозонов заключается в том, что, в отличие от фермионов (то есть частиц с нецелым спином, например, электронов), они не подчиняются запрету Паули (напомним, это означает, что две частицы не могут находиться в одном и том же месте с одной и той же энергией). Бозоны же стремятся занять одно и то же состояние с наименьшей возможной энергией (типичный пример бозонов – фотоны), вследствие чего конденсат Бозе-Эйнштейна обладает необычными свойствами. В случае атомов натрия КБЭ представляет собой разреженный сверхтекучий газ.

Согласно Кеттерле, одна из главных задач эксперимента состояла в том, чтобы сформировать внутреннюю упорядоченность и собственную форму у КБЭ, чтобы его можно было назвать твёрдым телом. Создавая сверхтвердость, физики использовали лазерные лучи для управления атомами натрия в КБЭ. Главная цель такого лазерного облучения заключалась в том, чтобы создать спин-орбитальное взаимодействие в атомах конденсата Бозе-Эйнштейна. Это взаимодействие обычно присутствует в тяжёлых элементах, в которых электроны внешних оболочек сильно подвержены релятивистским эффектам. В результате магнитный момент электрона (спин) взаимодействует со своим же орбитальным моментом.

Атомы натрия находились в камере со сверхглубоким вакуумом, и с помощью лазеров половина атомов конденсата перешла в состояние с противоположным направлением спина. Стоит напомнить, что направление спина – приближённое понятие, поскольку в квантовомеханических системах подобные свойства подчиняются вероятностным законам, так что переворот спина – это сложный процесс, во время которого усреднённая проекция магнитного момента описывает определённую траекторию в пространстве.

Итак, с помощью лазера спины половины атомов «переворачиваются», и в ловушке фактически оказывается смесь двух разных КБЭ. По словам Кеттерле, «...дополнительные лазеры дают атомам с перевёрнутыми спинами дополнительный «толчок», чтобы осуществить спин-орбитальное взаимодействие».

Теоретики предсказали, что спин-орбитальное взаимодействие в КБЭ должно приводить к сверхтвёрдому состоянию за счёт спонтанной «модуляции плотности». Как и в кристаллическом твёрдом теле, плотность сверхтвёрдого тела не является постоянной, а имеет структуру, схожую с рябью или волнами – так называемую фазу полосок. Цзюньжу Ли (Junru Li), аспирант в группе Кеттерле, в связи с этим заметил, что «самое сложное – наблюдать модуляцию плотности. Рецепт по созданию сверхтвёрдого тела сам по себе прост, а вот сверхточная настройка лазерных лучей, чтобы всё стабилизировалось для наблюдения фазы полосок, – это действительно тяжёлая задача». Результаты экспериментов опубликованы в Nature.

На сегодняшний день сверхтвёрдое вещество существует только при экстремально низких температурах в ультраглубоком вакууме. Физики планируют новые эксперименты со сверхтвёрдым веществом и спин-орбитальным взаимодействием, чтобы лучше понять и охарактеризовать новое состояние материи, которое они создали.

Другие исследовательские группы также работают над сверхтвёрдым веществом. Тильман Эсслингер и его группа в Швейцарской высшей технической школе Цюриха опубликовали альтернативный способ получения сверхтвёрдого вещества одновременно с командой Кеттерле. В их работе сверхтвёрдое состояние КБЭ получается при помощи системы зеркальных резонаторов, которые собирают лазерный свет, рассеянный атомами.

В перспективе нам предстоит еще больше узнать как о новой экзотической форме вещества, так и о самих явлениях сверхпроводимости и сверхтекучести; и кто знает, может быть, когда-нибудь кофе в чашке и впрямь закрутится в вечной воронке.

www.nkj.ru

Сверхтекучее твёрдое тело — WiKi

Данная работа стимулировала разнообразные экспериментальные исследования, однако однозначного понимания до сих пор нет. Имеющиеся экспериментальные данные свидетельствуют о том, что аномальное поведение твёрдого гелия вызвано беспорядком в кристалле, наиболее вероятные причины которого: вакансии и дислокации, межзёренные границы, стекольная или жидкая фазы. Дальнейшие эксперименты показали, что интерпретация обнаруженного эффекта как перехода твёрдого гелия в сверхтекучее состояние была ошибочной[2][3].

Это достижение является следующим шагом в исследовании бозе-статистики и фазовых переходов, так как ранее существовали только теоретические работы, предполагавшие возможность такого состояния материи. Учитывая, что параметрами оптической решётки в данном эксперименте легко управлять, исследователи получили удобный экспериментальный способ изучения фазовых состояний бозе-газа при различных величинах многих параметров — плотность газа, постоянная решётки, сила взаимодействия между атомами. Это может помочь в объяснении высокотемпературной сверхпроводимости и других явлений, где до сих пор нет окончательного решения по механизму, и, хотя сделано много теоретических предположений, не было надёжных методов прямой проверки.

ru-wiki.org