Две независимые группы физиков из Высшей технической школы Цюриха и Массачусетского технологического института добились успеха в создании сверхтекучего твердого тела. Эта фаза, предсказанная теоретически более 60 лет назад, одновременно обладает свойствами кристалла (упорядоченностью на больших масштабах) и сверхтекучестью — отсутствием внутреннего трения. Все предыдущие попытки ее получения были недостаточно надежными и не были признаны научным сообществом. Исследования ранее были опубликованы на сервере препринтов arXiv.org (Li et al., Leonard et al.). Теперь работы прошли процедуру рецензирования и появились на страницах журнала Nature (Li *et al., Leonard *et al.).

Сверхтекучесть — квантовое явление, наблюдающееся при очень низких температурах. Оно проявляется в полном отсутствии внутреннего трения в материи. Например, в состояние сверхтекучести переходит изотоп гелия-4 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 1950–1970х годах. 

Бозе-эйнштейновский конденсат в оптическом резонаторе с двумя парами зеркал. Julian Léonard et al. / Nature, 2017

Аномальное течение сверхтекучего гелия. Alfred Leitner «Liquid Helium, Superfluid»

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. Julian Léonard et al. / Nature, 2017

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. Jun-Ru Li et al. / Nature, 2017

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. Это потребует усовершенствования установок. Как отмечает Каден Хаззард из Университета Райса, сверхтекучие твердые тела особенно интересны из-за того, что в них сочетаются два связанных упорядочения, одно из которых связано с течением с нулевой вязкостью. «Каждое состояние вещества с нулевой вязкостью, наблюдавшееся до сих пор — сверхтекучий гелий, сверхпроводники, холодные конденсаты Бозе-Эйнштейна — сыграли большую роль в развитии теоретической физики и экспериментальных техник. Сверхтекучие твердые тела определенно дополнят этот список» — заключает физик.

Ранее мы сообщали о других исследованиях сверхтекучих материй. К примеру, в 2015 году физики из Новой Зеландии и США впервые описали сверхтекучий конденсат Бозе-Эйнштейна при помощи чисел Рейнольдса, а японский физик Хироко Сайто выяснил, возможно ли плавание в сверхтекучих жидкостях.

Автор: Владимир Королёв