Вещество-хамелеон: учёные впервые поймали квантовый парадокс в движении

Учёные впервые успешно наблюдали уникальные свойства так называемого «суперсолида» — вещества, обладающего одновременно характеристиками твердого тела и жидкости. Этот эксперимент стал прямым доказательством двойственной природы данного квантового состояния.

В обычных условиях мы знаем четыре состояния вещества: твердое, жидкое, газообразное и более редкую плазму. Однако при крайне низких температурах, близких к абсолютному нулю (-273,15 °C), вещество начинает вести себя необычно, создавая так называемые «экзотические» состояния. Одним из таких состояний является суперфлюид — вещество с нулевой вязкостью, то есть с отсутствием сопротивления потоку. В случае перемешивания суперфлюид будет двигаться бесконечно, не замедляясь.

Еще более полувека назад ученые предположили существование «суперсолида» — вещества, сочетающего свойства твердого тела и суперфлюида. Это вещество формирует кристаллическую структуру, но при этом часть атомов свободно проходит сквозь решетку, не испытывая трения.

Ранее удалось получить кристаллические структуры суперсолидов, но непосредственно наблюдать, как они движутся, не удавалось. Прорыв был достигнут в новом исследовании под руководством физика Франчески Ферлейно из Университета Инсбрука, Австрия, опубликованном в журнале Nature. Команда смогла создать и перемешать суперсолид, чтобы зафиксировать крошечные вихри, называемые квантизованными вихрями — своеобразные «свидетельства» суперфлюидности.

В эксперименте, по аналогии с чашкой кофе, которая закручивается при перемешивании ложкой, ученые наблюдали, как в суперсолиде образуются крошечные вихри. При медленном перемешивании вещество остаётся неподвижным, однако при ускорении начинают формироваться мелкие вихри, расположенные в симметричных узорах, напоминающих отверстия в сыре грюйер.

Исследователи из Университета Инсбрука ранее, в 2021 году, создали двухмерный суперсолид, охлаждая специальные атомы до экстремально низких температур. Теперь они нашли способ вращать его, не разрушая хрупкую структуру, используя магнитные поля. Этот шаг открыл возможность точного наблюдения за возникновением квантизованных вихрей, что подтвердило существование двойственной природы суперсолидного состояния.

Достигнутый успех позволяет моделировать в лабораторных условиях процессы, которые обычно встречаются лишь при экстремальных явлениях, таких как взрывы сверхновых звёзд. Ученые предполагают, что изменения скорости вращения нейтронных звёзд, называемые «глитчами», связаны с подобными суперфлюидными вихрями, образующимися в их ядре.