Pierwsza w historii obserwacja minitornad w supersolidnym gazie kwantowym
Dokonując przełomu, naukowcy potwierdzili właściwości nadciekłych ciał stałych, obserwując skwantowane wiry. Korzystając z precyzyjnych technik, zespół wymieszał obracającą się superciało stałe, ujawniając wyjątkową dynamikę wirów i oferując nowy wgląd w współistnienie właściwości ciała stałego i płynu. Odkrycie to toruje drogę do badania egzotycznej materii kwantowej i ma konsekwencje dla zjawisk astrofizycznych.
Supersolidy: paradoks kwantowy
Materia, która zachowuje się jednocześnie jak ciało stałe i nadciekłość, może wydawać się niemożliwa. Jednak ponad 50 lat temu fizycy przewidywali, że mechanika kwantowa może pozwolić na taki stan. W tym wyjątkowym stanie zbiory cząstek wykazują właściwości, które wydają się sprzeczne. Francesca Ferlaino z Wydziału Fizyki Doświadczalnej Uniwersytetu w Innsbrucku oraz Instytutu Optyki Kwantowej i Informacji Kwantowej (IQOQI) Austriackiej Akademii Nauk wyjaśnia: „To trochę jak kot Schrödingera, który jest jednocześnie żywy i martwy, supersolid jest zarówno sztywny, jak i płynny.
Chociaż naukowcom udało się bezpośrednio zaobserwować strukturę krystaliczną, która nadaje supersolidom ich „stałe” właściwości, ich właściwości nadciekłe były bardziej nieuchwytne. Naukowcy badali różne aspekty zachowania nadciekłości, takie jak spójność fazowa i bezprzerwowe mody Goldstone’a, ale nie znaleźli bezpośrednich dowodów na jedną kluczową cechę nadciekłości: skwantowane wiry.
W ramach wielkiego przełomu zaobserwowano skwantowane wiry w obracającej się dwuwymiarowej superstałej substancji. Odkrycie to dostarcza długo oczekiwanego dowodu na przepływ nadciekły w superciele i oznacza znaczący postęp w badaniu modulowanej materii kwantowej.
Trudne eksperymenty i precyzyjne techniki
W tym nowym badaniu naukowcy połączyli modele teoretyczne z najnowocześniejszymi eksperymentami, aby stworzyć i obserwować wiry w dipolarnych superstałach – wyczyn, który okazał się niezwykle trudny. Zespół z Innsbrucku dokonał już wcześniej przełomu w 2021 r., tworząc pierwszą długożyciową dwuwymiarową superstałą w ultrazimnym gazie złożonym z atomów erbu, co samo w sobie było trudnym zadaniem.
„Następny krok — opracowanie sposobu mieszania superstałego bez niszczenia jego delikatnego stanu — wymagał jeszcze większej precyzji” – wyjaśnia główna autorka Eva Casotti. Korzystając z precyzyjnych technik opartych na teorii, badacze wykorzystali pola magnetyczne do ostrożnego obracania superstałego. Ponieważ ciecze nie obracają się sztywno, mieszanie to spowodowało powstanie skwantowanych wirów, które są hydrodynamicznymi śladami nadciekłości.
„Ta praca stanowi znaczący krok naprzód w zrozumieniu wyjątkowego zachowania superstałych i ich potencjalnych zastosowań w dziedzinie materii kwantowej” – zauważa Francesca Ferlaino.
Co więcej, eksperyment trwał prawie rok, ujawniając znaczące różnice między dynamiką wirów w superstałach i niemodulowanych płynach kwantowych oraz oferując nowy wgląd w to, jak cechy nadciekłości i ciała stałego współistnieją i oddziałują w tych egzotycznych stanach kwantowych.
Odkrywanie nowej fizyki i powiązań astrofizycznych
Konsekwencje tego odkrycia wykraczają daleko poza laboratorium i potencjalnie wpływają na dziedziny, od fizyki materii skondensowanej po astrofizykę, gdzie podobne fazy kwantowe mogą istnieć w ekstremalnych warunkach.
„Nasze odkrycia otwierają drzwi do badania właściwości hydrodynamicznych egzotycznych układów kwantowych z wieloma złamanymi symetriami, takich jak kryształy kwantowe, a nawet gwiazdy neutronowe” – powiedział Thomas Bland, który kierował teoretycznym rozwojem projektu. „Zakłada się na przykład, że zmiany prędkości obrotowej obserwowane w gwiazdach neutronowych – tak zwane zakłócenia – są spowodowane nadciekłymi wirami uwięzionymi wewnątrz gwiazd neutronowych. Nasza platforma oferuje możliwość symulacji takich zjawisk tutaj, na Ziemi. Uważa się również, że w nadprzewodnikach występują wiry nadciekłe, które mogą przewodzić prąd bez strat. „
Nasza praca jest ważnym kamieniem milowym na drodze do badania nowej fizyki”, mówi Francesca Ferlaino. „W laboratorium możemy obserwować zjawiska fizyczne, które zachodzą w przyrodzie tylko w bardzo ekstremalnych warunkach, takich jak gwiazdy neutronowe”.
Odniesienie: „Obserwacja wirów w dipolarnej supersolid”: Eva Casotti, Elena Poli, Lauritz Klaus, Andrea Litvinov, Clemens Ulm, Claudia Politi, Manfred J. Mark, Thomas Bland i Francesca Ferlaino, 6 listopada 2024 r., Natura.
DOI: 10.1038/s41586-024-08149-7
Praca ukazała się w Natura i finansowane przez Austriacki Fundusz Naukowy FWF, Austriacką Agencję Promocji Badań FFG i Unię Europejską.
