Ученые получили сверхтекучую кристаллическую жидкость на основе конденсата Бозе-Эйнштейна

Экспериментальное оборудованиеИспользуя лазеры для манипуляций сверхтекучим квантовым газом, известным как конденсат Бозе-Эйнштейна, ученые-физики из Массачусетского технологического института поместили этот конденсат в такое квантовое состояние, в котором он имеет твердую кристаллическую структуру, сохранив, при этом, свое изначальное свойство супержидкости, жидкости, имеющей нулевое значение коэффициента вязкости. Дальнейшие исследования этого невозможного состояния материи могут привести к прорывам в областях практического использования сверхпроводников, супержидкостей, магнитов новых типов и датчиков, измеряющих значения различных физических величин.

Похожее изображение

“Было очень парадоксально получить материал, в котором комбинируются свойства супержидкости и твердость” – рассказывает профессор Вольфганг Кеттерле (Wolfgang Ketterle), руководитель научной группы, – “Если бы ваш кофе был супержидким, он продолжил бы вращаться бесконечно долгое время после того, как вы помешали его в чашке ложкой. А в данном случае он еще продолжил бы вращаться без изменений, превратившись бы в лед внутри морозильной камеры”.

Ученые-физики теоретически обосновали возможность существования супертвердых частиц уже достаточно давно, но такое состояние материи еще ни разу не было получено ни в одной из лабораторий.

Картинки по запросу bose einstein condensate molecular structure

С теоретической точки зрения это должно было выглядеть следующим образом – гелий, охлажденный до твердого состояния, должен был подвергнуться воздействию, заставляющему его атомы сместиться внутри кристаллической решетки на определенную величину друг относительно друга. И в какой-то момент такой гелий снова обрел бы свойства супержидкости одновременно со свойствами супертвердости.

Ученые использовали комбинацию методов лазерного испарения и охлаждения для того, чтобы получить разреженный газ атомов натрия, охлажденных до температуры в несколько наноКельвинов, т.е. максимально близко к температуре абсолютного нуля. И, в определенный момент, это облаков приобрело состояние конденсата Бозе-Эйнштейна, сверхтекучее состояние при котором весь конденсат ведет себя словно один большой квантовый объект.

Картинки по запросу bose einstein condensate molecular structure

Для того, чтобы вызвать появление супертвердого состояния полученного конденсата Бозе-Эйнштейна, ученые использовали метод лазерного управления и сцепления спинов (spin-orbit coupling). Половина атомов конденсата была помещена в одно квантовое состояние, определяемое направлением их вращения (спином), а вторая часть атомов – в другое квантовое состояние. При помощи света дополнительных лазеров ученые заставили атомы одной части конденсата Бозе-Эйнштейна обмениваться своим спином с атомами второй части конденсата.

В результате этого образовалось спиновое сцепление двух частей конденсата Бозе-Эйнштейна, и, согласно имеющимся теориям, такой конденсат должен был стать супертелом из-за явления прямой “модуляции плотности”. Плотность супертела не является постоянной величиной, как у кристаллического тела, в объеме супертела возникают уплотнения, называемые “полосовыми фазами”, распространяющиеся словно волны.

Похожее изображение

Самой тяжелой задачей, с которой пришлось столкнуться ученым, стало прямое наблюдение “модуляций плотности”, которое было произведено при помощи луча света дополнительного лазера. “Получить супертело оказалось достаточно просто” – рассказывает Джанру Ли (Junru Li), один из исследователей, – “Гораздо трудней решить проблему точного выравнивания всех лазерных лучей и обеспечить их синхронизацию с лучами, производящими наблюдений за полосовой фазой материи”.

В настоящее время материя в состоянии супертела может существовать только при чрезвычайно низкой температуре в очень глубоком вакууме. Однако ученые уже запланировали эксперименты по новой методике, которые будут проводиться при несколько иных условиях, что поможет им глубже разобраться в строении супертел, в основах явления спинового сцепления и других вещах, которые в будущем можно будет поставить на службу людям.

Похожее изображение