Cверхтекучее твердое тело

05.03.2017

Долгое время человечеству были известны лишь три фазы вещества – твердая, жидкая и газообразная. Впоследствии к ним добавилась плазма, а затем – и целый ряд фаз, существующих при экстремальных условиях, а то и просто «на кончике пера», как описанные теоретиками, но на практике никогда не найденные. К таким термодинамическим фазам относится и твердое тело со свойствами сверхтекучей жидкости – состояние, предсказанное Александром Андреевым и Ильей Лифшицем еще в конце 1960-х.

До сих пор экспериментальные попытки получить сверхтекучее твердое тело оставались либо спорными, либо просто неудачными. О новых опытах в журнале Nature сообщают сразу две группы ученых, причем команды из Швейцарской высшей технической школы Цюриха (ETH Zurich) и Массачусетского технологического института (MIT) работали независимо и использовали разные подходы.

Путь к сверхтекучему твердому телу обе команды начали с конденсата Бозе — Эйнштейна – другого (и уже 20 лет получаемого в лаборатории) «экстремального» и сверхтекучего состояния вещества. В конденсат Бозе — Эйнштейна оно переходит при экстремально низких температурах, когда атомы оказываются в своих минимальных энергетических состояниях.
 
Швейцарцы для этого использовали рубидиевый газ, охлажденный почти до абсолютного нуля. Полученный таким способом конденсат Бозе — Эйнштейна превращался в сверхтекучее твердое тело с помощью зеркал и лазеров, за счет оптического резонанса. По данным Тилмана Эсслингера (Tilman Esslinger) и его коллег, вещество стало упорядоченным, сохранив сверхтекучие свойства. Американская команда, работающая под руководством Нобелевского лауреата Вольфганга Кеттерле (Wolfgang Ketterle), использовала атомы натрия, также охладив их для получения конденсата Бозе — Эйнштейна, а затем манипулируя их состоянием с помощью лазеров.
 
 
 
Сверхтекучесть — квантовое явление, наблюдающееся при очень низких температурах. Оно проявляется в полном отсутствии внутреннего трения в материи. Например, в состояние сверхтекучести переходит изотоп гелия-3 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 1950-1970-х годах.
 

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.
 
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
 
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.
 
Скорой практической отдачи от этих экспериментов ждать не стоит. Сверхтекучее твердое тело существует лишь в труднодостижимых условиях, и пока неясно, какую пользу из него можно извлечь. Однако для науки весьма важна наша способность получать и такое «экзотическое» состояние вещества.

«С помощью этих холодных атомов мы дополняем карту возможного в природе», – сказал по этому поводу Вольфганг Кеттерле.
 
 

Вернуться к списку анонсов