Ученые экспериментально подтвердили существование экзотического состояния материи — противоточной сверхтекучести. Для этого пришлось охладить атомы рубидия до температуры около одного нанокельвина.
Схема расположения атомов в оптической решетке / © University of Maryland
В 1930-х годах физики открыли в жидком гелии явление сверхтекучести — оказалось, что в особом состоянии гелий мог перемещаться без трения, проникать через тонкие капилляры и «переползать» через стенки колб. Это открытие стало важной вехой в развитии фундаментальной физики.
В 2000-х ученые поняли, что так себя ведет не только гелий, но и конденсат Бозе — Эйнштейна. Это состояние вещества характеризуется двумя параметрами: температура конденсата близка к абсолютному нулю и оно состоит преимущественно из бозонов — частиц, которым современная физика «разрешает» пребывать в одном квантовом состоянии, если они одинаковы. К бозоном относят фотоны, глюоны и различные квазичастицы. Другому типу частиц, фермионам, к которым относятся электроны и кварки, такое запрещено, они подчиняются другим законам.
Открытие сверхтекучести дало толчок развитию низкотемпературных технологий — лазерному охлаждению и системе рефрижератора растворения. Они стали ключевыми инструментами в квантовых симуляциях, квантовых вычислениях и смежных дисциплинах.
Однако физики предполагали, что существуют и более сложные состояния вещества на основе сверхтекучести. Расчеты и теории связывали с изоляторами Мотта — веществами с кристаллической структурой и свойствами диэлектриков. Согласно теории электрической проводимости, они должны быть проводниками, но особая электронная конфигурация делает их диэлектриками. Изоляторы Мотта используют в изучении сверхпроводимости.
При работе с изоляторами Мотта ученые предположили, что если такое вещество состоит не из одного типа атомов, а как минимум из двух, то проявится новое квантовое состояние вещества — противоточная сверхтекучесть. Если система состоит из одного типа частиц, то они «заперты» на месте и не могут, скажем, туннелировать и перемещаться по кристаллу. С увеличением числа типов частиц взаимодействия в системе становятся сложнее.
Противоточность — это ситуация, когда два разных типа атомов «движутся» в противоположных направлениях с одинаковой скоростью. Даже если общий поток атомов равен нулю и перемещение масс и энергий равно нулю, противоток может сохраняться. Он также может быть сверхтекучим, то есть происходить без потерь энергии на трение.
Китайские исследователи экспериментально подтвердили существование нового квантового состояние материи. Ученые смогли исследовать противоточную сверхтекучесть с помощью недавно разработанного квантового газового микроскопа и охлажденных до температуры около одного нанокельвина атомов изотопа рубидия-87 с различными свойствами по осям Z и XY, запертых в оптическую решетку. Они описали открытие в журнале Nature Physics.
Фактически авторы работы претендуют на экспериментальное открытие нового состояния материи. С таким типом открытый важно, смогут ли другие научные группы повторить результаты эксперимента и этим подтвердить выводы ученых. Хотя публикация в уважаемом научном издании обычно означает тщательную проверку результатов авторов, независимые исследовательские группы могут найти другие физические механизмы в экспериментальном процессе и прийти к другим выводам по результатам.
