Физики обнаружили квантовые вихри в сверхтекучем твердом теле

В лаборатории посреди живописных вершин австрийских Альп редкоземельные металлы испаряются и выбрасываются из печи со скоростью истребителя. Под действием лазеров и магнитных импульсов газ почти останавливается, становясь холоднее, чем глубины космоса. Порции примерно по 50 тысяч атомов теряют различия, сливаясь воедино — и следом за поворотом магнитного поля закручиваются в крошечных торнадо.

На протяжении трех лет физик Франческа Ферлайно и ее команда из Инсбрукского университета имени Леопольда и Франца работали над тем, чтобы визуализировать эти квантовые вихри.

«Многие говорили мне, что это невозможно, — призналась она. — Но я была уверена, что мы справимся».

В статье, опубликованной в журнале Nature, исследователи показали снимки вихрей, ставшие долгожданным подтверждением существования экзотической формы вещества, известной как сверхтекучее твердое тело.

Парадоксальная фаза материи, которая ведет себя одновременно как твердое тело и как сверхтекучая жидкость, кажется невозможной. Однако более 50 лет назад физики предсказали, что квантовая механика допускает такое состояние.

«Это немного похоже на кота Шредингера, который одновременно и жив, и мертв: сверхтвердое тело — одновременно твердое и жидкое», — объясняет Ферлайно.

С момента предсказания сверхтекучего твердого тела не раз появлялись косвенные подтверждения его существования, но новый эксперимент дал прямое доказательство — и более чем убедительное. Авторы полагают, что вихри, которые образуются в сверхтвердых телах, могут помочь объяснить свойства в ряде систем — от высокотемпературных сверхпроводников до астрономических тел.

Представьте себе вращение ведра, наполненного различными видами материи. Твердое содержимое будет крутиться вместе с емкостью из-за трения между ее стенками и кристаллической решеткой материала. Жидкость же образует вихрь в центре ведра, закручивающийся с отставанием.

Если сделать жидкость достаточно холодной и разреженной, она станет сверхтекучей. Такая форма вещества была открыта в 1937 году русским и канадскими физиками на примере жидкого гелия.

Если раскрутить ведро со сверхтекучей жидкостью, она останется неподвижной. Она не поддается трению до достижения определенной скорости вращения, при превышении которой возникает квантовый вихрь.

Спустя двадцать лет после открытия сверхтекучести американский физик Юджин Гросс предположил, что вихрь возможен в твердых телах. После десятилетий дискуссий о существовании такого странного гибрида сверхтекучего и твердого тела была построена описывающая его теория. Магнитным полем можно так уменьшить отталкивание между атомами, что они начнут слипаться. Эти сгустки будут выравниваться по линиям поля, но отталкиваться друг от друга, самоорганизуясь в кристаллическую структуру, не испытывающую трения.

Предсказание Гросса положило начало длительной охоте за вихрями в сверхтвердом теле в лабораторных условиях. Не раз ученые объявляли о сенсационном открытии, а затем признавали, что поспешили с выводами.

Ученые из Инсбрука раскрутили атомы магнитным полем со скоростью примерно 50 оборотов в секунду. Это достаточно быстро, чтобы вызвать вихри, но не слишком — чтобы сохранить квантовую фазу. «Это очень, очень деликатное состояние — любое небольшое изменение разрушит его», — говорит Ферлайно.

Выявить вихри тоже оказалось задачей нетривиальной. Исследователи воспользовались идеей физика Алессио Рекати из Трентского университета, предложившего формировать вихри в сверхтвердой фазе, а затем расплавлять материал обратно в сверхтекучую, чтобы получить их изображение с более высоким контрастом.

Найдя долгожданные доказательства квантового вихря в сверхтекучем твердом тело, ученые даже устроили небольшую вечеринку по этому поводу. Хотя, по мнению Рекати, для окончательного подтверждения им не помешало бы измерить скорость вращения вихрей.

Космические аналогии

Открытие может пролить свет на свойства вещества, из которого состоят пульсары — необычайно быстро вращающиеся нейтронные звезды. Ферлайно задумалась об этом, услышав обсуждение, которое вели астрономы на одной из конференций.

По существующим представлениям, эти загадочные небесные тела состоят из «ядерной пасты» — вырожденного вещества, в котором нейтроны образуют «комки», похожие на лазанью. Одна чайная ложка такой «пасты» весит, как Эверест.

Франческа Ферлайно предположила, что «ядерная паста» может обладать особенностями, присущими сверхтекучему твердому телу. Компьютерное моделирование показало, что если гипотеза верна, в такой материи могут образовываться квантовые вихри, подталкивающие вращение объекта. Это хорошо объясняет наблюдаемые у многих пульсаров кратковременные ускорения вращения.

Таким образом, в лаборатории можно наблюдать физические явления, которые в природе происходят только в очень экстремальных условиях — например, в нейтронных звездах. Кроме того, открытие поможет в разработке высокотемпературных сверхпроводников, свойства которых, как полагают, также обусловлены сверхтекучими вихрями.

«Физика универсальна», — заключила Франческа Ферлайно.