Вчені відкрили «неможливий» стан речовини, який є одночасно твердим і надтекучим

Перше в історії спостереження міні-торнадо в надтвердому квантовому газі. У результаті прориву вчені підтвердили надплинні властивості надтвердих тіл, спостерігаючи за квантованими вихорами. Використовуючи прецизійні методи, команда перемішала обертове надтверде тіло, виявивши унікальну динаміку вихору та запропонувавши нове уявлення про співіснування твердих і рідинних характеристик. Це відкриття прокладає шлях до вивчення екзотичної квантової матерії та має наслідки для астрофізичних явищ.

Надтверді тіла: квантовий парадокс

Матерія, яка водночас поводиться як тверда та надтекуча речовина, може здатися неможливим. Але більше 50 років тому фізики передбачили, що квантова механіка може дозволити такий стан. У цьому унікальному стані колекції частинок виявляють властивості, які здаються суперечливими. Франческа Ферлайно з Департаменту експериментальної фізики Університету Інсбрука та Інституту квантової оптики та квантової інформації (IQOQI) Австрійської академії наук пояснює: «Це трохи схоже на кота Шредінгера, який водночас живий і мертвий, надтверде тіло є і твердим, і рідким».

У той час як вченим вдалося безпосередньо спостерігати кристалічну структуру, яка надає надтвердим речовинам їхні «тверді» якості, їхні надтекучі властивості були більш невловимими. Дослідники вивчали різні аспекти надтекучої поведінки, такі як фазова когерентність і безщілинні моди Голдстоуна, але вони не знайшли прямих доказів однієї ключової особливості надплинності: квантованих вихорів.

Великим проривом стало те, що квантовані вихори спостерігаються в обертовому двовимірному надтвердому тілі. Це відкриття забезпечує довгоочікуваний доказ надплинного потоку всередині надтвердого тіла та знаменує значний прогрес у вивченні модульованої квантової матерії.

Складні експерименти та точні методи

У цьому новому дослідженні вчені об’єднали теоретичні моделі з передовими експериментами, щоб створити та спостерігати вихори в диполярних надтвердих тілах — подвиг, який виявився надзвичайно складним. Раніше команда з Інсбруку досягла прориву в 2021 році, створивши першу довгоіснуючу двовимірну надтверду речовину в ультрахолодному газі з атомів ербію, що саме по собі було складним завданням.

«Наступний крок — розробка способу перемішування надтвердої речовини без руйнування її крихкого стану — вимагав ще більшої точності», — пояснює провідний автор Єва Касотті. Використовуючи високоточні методи, керуючись теорією, дослідники використовували магнітні поля для обережного обертання надтвердої речовини. Оскільки рідини не обертаються жорстко, це перемішування спричинило утворення квантованих вихорів, які є гідродинамічними відбитками надтекучості.

«Ця робота є значним кроком вперед у розумінні унікальної поведінки надтвердих тіл і їх потенційного застосування в галузі квантової матерії», — зауважує Франческа Ферлайно.

Крім того, експеримент тривав майже рік, виявивши значні відмінності між динамікою вихорів у надтвердих тілах і немодульованих квантових рідинах, а також запропонувавши нове розуміння того, як надплинні та тверді характеристики співіснують і взаємодіють у цих екзотичних квантових станах.

Вивчення нової фізики та астрофізичних зв’язків

Наслідки цього відкриття сягають далеко за межі лабораторії, потенційно впливаючи на поля, починаючи від фізики конденсованого середовища до астрофізики, де подібні квантові фази можуть існувати в екстремальних умовах.

«Наші відкриття відкривають двері для вивчення гідродинамічних властивостей екзотичних квантових систем з численними порушеними симетріями, таких як квантові кристали і навіть нейтронні зірки», — сказав Томас Бленд, який керував теоретичною розробкою проекту. «Наприклад, передбачається, що зміна швидкості обертання, яка спостерігається в нейтронних зірках — так звані глітчі — викликана надплинними вихорами, захопленими всередині нейтронних зірок. Наша платформа пропонує можливість симулювати такі явища прямо тут, на Землі». Вважається також, що надплинні вихори існують у надпровідниках, які можуть проводити електрику без втрат

Наша робота є важливою віхою на шляху до дослідження нової фізики», — каже Франческа Ферлайно. «Ми можемо спостерігати тут, у лабораторії, фізичні явища, які відбуваються в природі лише в дуже екстремальних умовах, наприклад у нейтронних зірках».