Торнадо размером с атом: как заглянуть в сердце нейтронной звезды через микроскоп

В лаборатории, затерянной между острыми скалами австрийских Альп, редкоземельные металлы испаряются и вырываются из печи со скоростью истребителя. Затем хитросплетение лазеров и магнитных импульсов замедляет газ почти до полной остановки, делая его холоднее глубин космоса. Примерно 50 000 атомов в газе сливаются в единое состояние. И наконец, при малейшем изменении окружающего магнитного поля крошечные торнадо начинают кружиться в темноте.

Группа ученых под руководством Франчески Ферлайно из Университета Инсбрука визуализировала загадочное квантовое состояние, о существовании которого ученые спорили более шестидесяти лет.

Суперсолид – это парадоксальная материя, которая одновременно обладает свойствами абсолютно твёрдого тела и идеально текучей жидкости. Физики создали миниатюрный квантовый мир, где около 50 000 атомов редкоземельных металлов теряют индивидуальность и сливаются в единое состояние.

Температура в экспериментальной установке опускается ниже температуры космического вакуума. Лазеры и магнитные импульсы замедляют атомный газ практически до полной остановки, превращая лабораторию в пространство предельных физических возможностей.

Идея существования суперсолида родилась еще в 1957 году, когда американский физик Евгений Гросс предположил возможность квантового коллективизма в твёрдых телах. Десятилетиями научное сообщество спорило о реальности этого феномена, пока не появились первые экспериментальные подтверждения.

В эксперименте использовались атомы диспрозия и эрбия, которые ведут себя как крошечные магниты. Применяя внешнее магнитное поле, исследователи заставляли атомы самоорганизовываться в регулярную кристаллическую решетку.

Три года команда Ферлайно буквально охотилась за квантовыми торнадо – миниатюрными вихрями, которые могут возникать внутри суперсолида. И, вопреки скептицизму коллег, упорство позволило им не только наблюдать, но и задокументировать это удивительное явление.

Однако для успеха потребовалось много усилий. Магнитное поле выступало в качестве своеобразной ложки, перемешивающей внутренние магнитные поля атомов с частотой около 50 циклов в секунду. Малейшее отклонение могло разрушить тончайшее квантовое состояние.

Решающий момент эксперимента произошел в неформальной обстановке. Три аспиранта ворвались в местный паб с ноутбуком, чтобы показать кадры квантового торнадо своим научным руководителям. Настолько захватывающим был момент, что праздновать успех отправились прямо за барную стойку.

Модель, созданная учеными, имеет поразительные параллели с устройством нейтронных звезд. Астрономы давно подозревают, что внутри пульсаров происходят похожие квантовые процессы, но до сегодняшнего дня не могли их достоверно смоделировать.

Кстати, внутреннее строение нейтронных звезд ученые сравнивают с кулинарными изделиями – "ядерной пастой", где сгустки нейтронов напоминают формы макарон, лазаньи и ньокки. Теперь для изучения этих экзотических структур у них появился уникальный инструмент.

Команда также смогла объяснить природу внезапных ускорений пульсара Вела, который неожиданно увеличивает скорость вращения на доли микросекунды. По мнению Ферлайно, причиной могут быть столкновения квантовых вихрей, которые высвобождают огромную энергию.

Дальнейшие исследования обещают раскрыть тонкие механизмы формирования, миграции и диссипации квантовых вихрей. Ученые надеются, что их работа станет ключом к пониманию экзотических состояний материи, включая высокотемпературную сверхпроводимость.

Сама Франческа Ферлайно видит в этом отражение фундаментальной связанности природы. "Физика универсальна, – говорит она, – мы постигаем правила игры, которые едины для микро- и макромира".