Физики впервые создали сверхтвердое тело в двух измерениях: квантовые аномалии

Сверхтвердое тело намного сложнее, чем может показаться на первый взгляд. По сути, его атомы расположены в жесткой кристаллической структуре, как в обычном твердом теле, но они также могут течь (с нулевой вязкостью), подобно сверхтекучей жидкости. Это звучит парадоксально, но ученые считали подобное явление теоретически возможным с 1960-х годов — и в 2017 году его наконец удалось подтвердить экспериментально.

Несколько групп исследователей создали сверхтвердые тела, используя другое состояние вещества, называемое конденсатом Бозе-Эйнштейна (БЭК). Оно представляет собой газовые облака атомов низкой плотности, охлажденные почти до абсолютного нуля. В таких условиях проявляют странные квантовые аномалии, которые обычно не наблюдаются в большем масштабе. Все атомы в БЭК существуют в каждой точке облака одновременно благодаря явлению, получившему название «делокализация».

В предыдущих экспериментах сверхтвердые тела делались одномерными, так что атомы могли течь только в одном направлении. Но недавно команда университета Инсбрука придала им совершенно новое измерение: если проводить аналогию, то ученые превратили движение атомов по струне на движение по листу бумаги. Этот БЭК состоял из атомов диспрозия, и магнитные взаимодействия между частицами заставляли их собираться в капли, которые сами выстраивались в решетку.

«Со стороны кажется, что каждый атом находится в определенной капле, без возможности перехода между ними», — пояснил Мэтью Норча, автор исследования. «Однако в сверхтвердом состоянии каждая частица делокализована по всем каплям, существуя таким образом в каждой капле одновременно. По сути, у вас есть система с рядом областей с высокой плотностью (капель), которые имеют одни и те же делокализованные атомы».

Команда заявляет, что этот прорыв может позволить физикам изучать совершенно новый диапазон квантовых странностей, недоступных одномерному супертвердому телу.

«Например, в двумерной сверхтвердой системе можно изучить то, как в отверстии между несколькими соседними каплями образуются завихрения вещества», — заявил Норча. «Описанные мною вихри еще не были продемонстрированы на практике, но в теории они представляют собой важное следствие сверхтекучести».