Европейские физики обнаружили необычный эффект: квантовая жидкость кристаллизовалась в результате нагревания. Они увидели его в дипольном бозе-конденсате, запертом в длинной одномерной оптической ловушке. Формирование упорядоченной фазы — сверхтекучего твердого тела — было вызвано влиянием квантовых флуктуаций на поведение вихрей в жидкости.

Исследование опубликовано в Nature Communications.

Сверхтекучее твердое тело (supersolid) — это экзотическая фаза вещества, предсказанная в середине прошлого века и достоверно найденная лишь в 2017 году в бозе-конденсате холодных атомов. Ее название может ввести в заблуждение: атомы в оптических ловушках сложно назвать твердыми в механическом смысле. Тем не менее, то или иное воздействие на них способно периодически модулировать атомную плотность, из-за чего вся система приобретает кристаллический порядок. В сочетании с естественной сверхтекучестью — течении без трения — это и создает нужные условия для возникновения сверхтекучести твердого тела.

В проведенных на сегодняшний день экспериментах воздействие на атомы было самым разнообразным. Мы рассказывали, как для этого в конденсате на короткое время создают стоячую световую волну или резонансно возбуждают атомы, заставляя те интерферировать под влиянием спин-орбитального взаимодействия. В более поздней работе физики под руководством Франчески Ферлаино (Francesca Ferlaino) из Университета Инсбрука также использовали интерференцию, но уже вызванную импульсами сжатия.

На этот раз группа Ферлаино объединилась с теоретиками из Орхусского университета под руководством Томаса Поля (Thomas Pohl), чтобы найти еще один физический способ достигнуть сверхтекучести твердого тела.

Оказалось, что можно найти условия, при которых вихри в диполярном бозе-конденсате делают жидкое состояние энергетически невыгодным, из-за чего происходит спонтанное нарушение симметрии и образование упорядоченной фазы. При этом переход «жидкость — твердое тело» происходит при нагреве системы, а не при охлаждении, что характерно для веществ, с которыми обычно имеют дело физики.

Причиной такого необычного поведения стали квантовые флуктуации. Их роль возрастает в случае диполярного конденсата Бозе — Эйнштейна. В таком конденсате частицы взаимодействуют дипольно, из-за чего возможно как отталкивание, так и притяжение, конкурирующие с короткодействующим рассеянием атомов друг на друге.

Чтобы исследовать эти процессы, теоретики записали выражение для большого канонического потенциала конденсата, запертого в длинной одномерной оптической ловушке, который они минимизировали по волновой функции. Результат привел к записи уравнения Гросса — Питаевского, расширенного на случай конечных температур. Решение этого уравнения позволило построить фазовую диаграмму в координатах «температура — отношение дипольной и короткодействующей констант». Из нее следовало, что при неизменном взаимодействии между атомами жидкая фаза сменяется твердой при нагреве.

Чтобы проверить теорию, экспериментаторы помещали атомы диспрозия в вытянутую оптическую ловушку в постоянном магнитном поле, которое выстраивало атомы диспрозия. По мере охлаждения газа он конденсировался, а физики измеряли распределение в нем атомной плотности. Они фиксировали образование твердой фазы по модуляции атомной плотности вдоль ловушки. Экспериментальные точки хорошо совпали с предсказаниями теории на фазовой диаграмме.

Фазовая диаграмма, построенная путем решения уравнений Гросса — Питаевского (a) и с помощью эксперимента с диспрозиевым конденсатом (b). На рисунке © схематично изображено формирование упорядоченной фазы в одномерном конденсате. / J. Sánchez-Baena et al. / Nature Communications, 2023

Эффект модуляции теория объясняет тем фактом, что квантовые флуктуации в бозе-конденсате препятствуют подавлению ротонных (вихревых) возбуждений. Они, в свою очередь, расталкивают друг друга, формируя упорядоченную структуру. Вместе с тем, группа Ферлаино уже исследовала вихри в дипольном бозе-конденсате, состоящем из атомов диспрозия. Чтобы их увидеть, физики раскручивали сверхтекучий конденсат магнитным полем.