Странное состояние материи впервые воссоздано в двух измерениях

Помимо основных, хорошо известных состояний материи — твёрдое тело, жидкость, газ и плазма — в лабораторных условиях получено много экзотических состояний. Одно из них, известное как «сверхтвёрдотельность» (supersolid) было впервые продемонстрировано только несколько лет назад, и теперь исследователи из Университета Инсбрука (Австрия) создали его в двумерной форме. Об этом они рассказали в журнале Nature.

В сверхтвердотельном состоянии атомы расположены в жёсткой кристаллической структуре, но они также могут течь с нулевой вязкостью, как сверхтекучая жидкость. О возможности существования такой парадоксальной комбинации свойств учёные говорили с 1960-х годов, а в 2017 г., наконец, доказали это экспериментально, используя ещё одно экзотическое состояние материи — конденсат Бозе-Эйнштейна (BEC).

В предыдущих экспериментах сверхтвердотельность получалась только одномерной, так что атомы могли течь лишь в одном направлении. Теперь команда из Института квантовой оптики и квантовой информации (IQOQI) в Инсбруке продемонстрировала расширение сверхтвердотельных свойств на два измерения.

Она приготовила сверхтвердотельный квантовый газ из атомов диспрозия по обе стороны структурного фазового перехода, подобного тем, которые происходят в ионных цепочках, квантовых поводах и, теоретически, в цепочках индивидуальных дипольных частиц. Магнитные взаимодействия между атомами диспрозия заставляли их собираться в капли, которые сами выстраивались в 2D-решётку.

«Обычно резонно считать, что каждый атом находится в определённой капле и не может оказаться в другой, — говорит Мэтью Норча (Matthew Norcia), автор исследования. — Однако в сверхтвердотельном состоянии каждая частица делокализована по всем каплям, существуя одновременно в каждой из них. По сути, у вас есть система с рядом областей с высокой плотностью (капель), в которых находятся одни и те же делокализованные атомы».

Это революционное достижение позволит физикам приступить к исследованию совершенно новых видов квантовых странностей, по сравнению с одномерной сверхтвердотельностью.

«Например, в двумерной сверхтвердотельной системе можно изучать, как образуются вихри в промежутке между несколькими смежными каплями, — отметил Норча. — Такие вихри, описанные в теории, ещё никогда не были продемонстрированы, но они представляют собой важное следствие сверхтекучести».

Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365