Сверхтвердые тела — это новая форма квантовой материи, которая была продемонстрирована лишь недавно. Состояние материи может быть искусственно создано в ультрахолодных дипольных квантовых газах. Группа под руководством физика из Инсбрука Франчески Ферлайно теперь продемонстрировала недостающий признак сверхтекучести, а именно существование квантованных вихрей как реакции системы на вращение. Они наблюдали крошечные квантовые вихри в сверхтвердом теле, которые также ведут себя иначе, чем предполагалось ранее.

Работа опубликована в журнале Nature.

Материя, 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, когда совокупность неразличимых частиц может одновременно проявлять, казалось бы, противоречивые свойства.

«Это немного похоже на кота Шредингера, который одновременно и жив, и мертв, сверхтвердое тело одновременно твердое и жидкое», — объясняет Франческа Ферлайно с кафедры экспериментальной физики Университета Инсбрука и Института квантовой оптики и квантовой информации (IQOQI) Австрийской академии наук (ÖAW).

В то время как кристаллическая структура, дающая начало «твердой» природе сверхтвердых тел, была непосредственно визуализирована, сверхтекучие свойства гораздо более неуловимы. В то время как исследователи исследовали различные аспекты сверхтекучего поведения, такие как фазовая когерентность и бесщелевые моды Голдстоуна, прямые доказательства одной из определяющих особенностей сверхтекучести — квантованных вихрей — оставались неуловимыми.

Теперь, в результате крупного прорыва, квантованные вихри наконец были обнаружены во вращающемся двумерном сверхтвердом теле, что дало долгожданное подтверждение безвихревого течения сверхтекучей жидкости в сверхтвердое тело и ознаменовало собой важный шаг вперед в изучении модулированной квантовой материи.

Сложный эксперимент

В этом новом исследовании ученые объединили теоретические модели с передовыми экспериментами для создания и наблюдения вихрей в дипольных супертвердых телах — подвиг, который оказался чрезвычайно сложным. Ранее в 2021 году команда из Инсбрука достигла прорыва, создав первое долгоживущее двумерное супертвердое тело в ультрахолодном газе атомов эрбия, что само по себе было сложной задачей.

«Следующий шаг — разработка способа перемешивания сверхтвердого тела без разрушения его хрупкого состояния — потребовал еще большей точности», — объясняет ведущий автор Ева Касотти.

Используя высокоточные методы, руководствуясь теорией, исследователи использовали магнитные поля для осторожного вращения сверхтвердого тела. Поскольку жидкости не вращаются жестко, это перемешивание вызвало образование квантованных вихрей, которые являются гидродинамическим отпечатком сверхтекучести.

«Эта работа является значительным шагом вперед в понимании уникального поведения сверхтвердых тел и их потенциального применения в области квантовой материи», — добавляет Франческа Ферлайно.

Более того, эксперимент продолжался почти год, выявив существенные различия между динамикой вихрей в сверхтвердых телах и немодулированных квантовых жидкостях, а также предложив новое понимание того, как характеристики сверхтекучести и твердого тела сосуществуют и взаимодействуют в этих экзотических квантовых состояниях.

Изучение новой физики

Значение этого открытия выходит далеко за рамки лабораторных исследований и может оказать влияние на различные области — от физики конденсированного состояния до астрофизики, где подобные квантовые фазы могут существовать в экстремальных условиях.

«Наши результаты открывают путь к изучению гидродинамических свойств экзотических квантовых систем с множественными нарушенными симметриями, таких как квантовые кристаллы и даже нейтронные звезды », — сказал Томас Бланд, руководивший теоретической разработкой проекта.

«Например, предполагается, что изменение скорости вращения, наблюдаемое в нейтронных звездах — так называемые сбои — вызвано сверхтекучими вихрями, захваченными внутри нейтронных звезд. Наша платформа дает возможность моделировать такие явления прямо здесь, на Земле. Также считается, что сверхтекучие вихри существуют в сверхпроводниках, которые могут проводить электричество без потерь».

«Наша работа — важная веха на пути к исследованию новой физики», — говорит Франческа Ферлайно.

«Здесь, в лаборатории, мы можем наблюдать физические явления, которые в природе происходят только в очень экстремальных условиях, например, в нейтронных звездах».