Нова супертверда форма речовини поєднує властивості твердих тіл і надплинних рідин.
Поведінка фізичних об'єктів в так званих стандартних умовах - при кімнатній температурі і атмосферному тиску - звично і інтуїтивно зрозуміла: нікому не потрібно пояснювати, що таке рідина, і навряд чи знайдеться людина, яка здивується, побачивши, як кава виливається з перевернутої догори дном чашки.
Але з тих пір, як людина виявила в світобудові квантові закони, нашу побутову інтуїцію зі здоровим глуздом укупі довелося сильно обмежити в правах. Корпускулярно-хвильовий дуалізм, квантове тунелювання, заплутані фотони - все це стало експериментально підтвердженою реальністю. Навіть уявлення про агрегатні стани речовини знадобилося розширити: до газу, рідини і твердого тіла додалася плазма, з якою ми, втім, стикаємося досить рідко.
Фізичні властивості тіл багато в чому залежать від температури. Мова не тільки про те, чи буде речовина твердою, рідкою або газоподібною, температура ще й «маскує» деякі особливості, що прямують з квантової природи матерії. Справа в тому, що тепловий рух атомів в деякому сенсі усереднює структуру речовини, і багато властивостей, теоретично властивих системі, «розмазуються» тепловими ефектами. Яскравий приклад - надпровідність, - стан, при якому електрони в металі утворюють «пов'язані» пари, що дозволяє струму текти без будь-якого опору. При підвищенні температури електронні пари розпадаються на звичайні електрони, і в матеріалі виникає опір. Фізика конденсованих середовищ наполегливо шукає матеріал, який би залишався надпровідним при кімнатній температурі, адже це б дозволило зробити величезний технологічний прорив.
Крім надпровідності існує міріад квантових фаз з найрізноманітнішими і екзотичними властивостями. Одне з них - це надплинність, тобто нульова в'язкість. Наприклад, будь кава надплинною, він «виповзав» би з чашки, а якби ми її розмішали, він би крутився у воронці нескінченно.
Щоб позбутися усереднюючого ефекту теплового руху атомів, квантові фази речовини доводиться вивчати в екстремальних лабораторних умовах: при низьких температурах, в глибокому вакуумі, а іноді і в надвисоких магнітних полях. У міру зниження температури тепловий рух поступається за енергією квантовим властивостям речовини, і властивості речовини набувають контринтуїтивного характеру. Такі головоломки зазвичай ведуть до «нової фізики» - дослідники змушені уточнювати існуючі моделі, а то й розробляти нову теорію, щоб пояснити несподівані ефекти.
Втім, іноді буває і навпаки, коли теоретичні передбачення кидають виклик експериментаторам. Так, нещодавно теоретики припустили, що в твердому гелії можлива надплинність, якщо атоми гелію рухатимуться в твердому кристалі гелію, проявляючи так звану суперсверду поведінку. Як спостерігати таку поведінку експериментально, втім, було незрозуміло.
Експериментатори з Массачусетського технологічного інституту під керівництвом Вольфганга Кеттерле (Wolfgang Ketterle) прийняли виклик. Вони використовували лазер, щоб перевести так званий конденсат Бозе-Ейнштейна (КБЕ) в квантову фазу, яка має впорядкованість, як тверду речовину, одночасно зберігаючи здатність текти з нульовою в'язкістю, як це належить надплинній рідині. (Нагадаємо, що сам Вольфганг Кеттерле одним з перших почав експериментувати з холодними атомами і конденсатом Бозе-Ейнштейна, а в 2001 році він розділив Нобелівську премію з Еріком Корнеллом і Карлом Віманом, які вперше створили КБЕ в лабораторії.)
Фізики використовували лазерне охолодження в поєднанні з іспанськими методами охолодження: як випаровування води з поверхні шкіри знижує температуру тіла, так і випаровування рідкого гелію дозволяє охолодити зразок до тисячних часток градуса вище абсолютного нуля. Потім атоми сповільнюють за рахунок різних ефектів, що виникають при взаємодії зі світлом, як, наприклад, описано тут. Таким чином атоми натрію було охолоджено до декількох нанокельвінів вище абсолютного нуля (шкала Кельвіна еквівалентна шкалі Цельсія, тільки вона відраховує температуру від абсолютного нуля, тобто 0 K = -273.15 ° C).
При такій низькій температурі атоми натрію знаходяться в особливому агрегатному стані, або квантовій фазі, яка і називається конденсатом Бозе-Ейнштейна. КБЕ формується з бозонів - частинок з цілочисельним спином, які підпорядковуються статистиці Бозе. Головна особливість бозонів полягає в тому, що, на відміну від ферміонів (тобто частинок з нецілим спином, наприклад, електронів), вони не підпорядковуються забороні Паулі (нагадаємо, це означає, що дві частинки не можуть перебувати в одному і тому ж місці з однією і тією ж енергією). Бозони ж прагнуть зайняти один і той же стан з найменшою можливою енергією (типовий приклад бозонів - фотони), внаслідок чого конденсат Бозе-Ейнштейна володіє незвичайними властивостями. У разі атомів натрія КБЕ являє собою розріджений надплинний газ.
Згідно з Кеттерле, одне з головних завдань експерименту полягало в тому, щоб сформувати внутрішню впорядкованість і власну форму у КБЕ, щоб його можна було назвати твердим тілом. Створюючи надтвердість, фізики використовували лазерні промені для управління атомами натрію в КБЕ. Головна мета такого лазерного опромінення полягала в тому, щоб створити спін-орбітальну взаємодію в атомах конденсату Бозе-Ейнштейна. Ця взаємодія зазвичай присутня в важких елементах, в яких електрони зовнішніх оболонок сильно схильні до релятивістських ефектів. В результаті магнітний момент електрона (спин) взаємодіє зі своїм же орбітальним моментом.
Атоми натрію перебували в камері з надглибоким вакуумом, і за допомогою лазерів половина атомів конденсату перейшла в стан з протилежним напрямком спину. Варто нагадати, що напрямок спину - наближене поняття, оскільки в квантовомеханічних системах подібні властивості підкоряються ймовірнісним законам, так що переворот спину - це складний процес, під час якого усереднена проекція магнітного моменту описує певну траєкторію в просторі.
Отже, за допомогою лазера спини половини атомів «перевертаються», і в пастці фактично виявляється суміш двох різних КБЕ. За словами Кеттерле, «додаткові лазери дають атомам з перевернутими спинами додатковий» поштовх «, щоб здійснити спін-орбітальну взаємодію».
Теоретики передбачили, що спін-орбітальна взаємодія в КБЕ має призводити до сверхтвьордого стану за рахунок спонтанної «модуляції щільності». Як і в кристалічному твердому тілі, щільність надтвердого тіла не є постійною, а має структуру, схожу з горобцем або хвилями - так звану фазу смужок. Цзюньжу Лі (Junru Li), аспірант у групі Кеттерле, у зв'язку з цим зауважив, що "найскладніше - спостерігати модуляцію щільності. Рецепт створення надтвердого тіла сам по собі простий, а ось надточне налаштування лазерних променів, щоб все стабілізувалося для спостереження фази смужок, - це дійсно важке завдання ". Результати експериментів опубліковані в Nature.
На сьогоднішній день наддужа речовина існує тільки при екстремально низьких температурах в ультраглубокому вакуумі. Фізики планують нові експерименти з сверхтвьордою речовиною і спін-орбітальною взаємодією, щоб краще зрозуміти і охарактеризувати новий стан матерії, який вони створили.
Інші дослідницькі групи також працюють над надкордою речовиною. Тільман Есслінгер і його група в Швейцарській вищій технічній школі Цюріха опублікували альтернативний спосіб отримання наддужої речовини одночасно з командою Кеттерле. У їх роботі надтвердий стан КБЕ виходить за допомогою системи дзеркальних резонаторів, які збирають лазерне світло, розсіяне атомами.
У перспективі нам належить ще більше дізнатися як про нову екзотичну форму речовини, так і про самі явища надпровідності та надплинності; і хто знає, може бути, коли-небудь кава в чашці і справді закрутиться у вічній воронці.