После доведения довольно большого массива атомов до критической температуры, которая находится ниже абсолютного нуля и известна как “отрицательный абсолют”, исследователи обнаружили, что атомы здесь перешли в ранее неизвестное квантовое состояние. При такой температуре атомы могут быть организованы в специфические и сложные геометрические узоры, называемые “решетками Кагоме”. Полученное квантовое вещество может стать совершенно новой формой материи. В 1800-х годах лорд Кельвин определил температурную шкалу, заявив, что никакая материя не может опуститься ниже абсолютного нуля (0 Кельвинов, или примерно -273,15 °C). Однако позже физики обнаружили, что абсолютная температура газа пропорциональна средней энергии составляющих его частиц.
Абсолютная температура — это температура, измеренная от абсолютного нуля, что соответствует состоянию, в котором частицы больше не обладают кинетической энергией (и поэтому неподвижны). Более высокая температура соответствует большей кинетической энергии. Однако в 1950-х годах физики обнаружили, что этот принцип не всегда справедлив, в частности из-за того, как энергия распределяется между атомами. Абсолютный нуль соответствует состоянию, в котором частицы обладают минимальной энтропией.
Для совокупности атомов с положительной абсолютной температурой лишь некоторые из них движутся с высокой кинетической энергией, в то время как большинство имеет низкий уровень энергии. Однако при воздействии на атомы отрицательной абсолютной температуры это распределение энергии меняется на противоположное. Другими словами, частицы с большей кинетической энергией становятся более многочисленными, чем частицы с меньшей энергией (максимум энтропии).
Поэтому частицы при отрицательных абсолютных температурах обладают большей энергией, чем частицы при положительных абсолютных температурах. Парадоксально, но первые технически «горячее» вторых. Комбинация этих двух явлений приведет к тому, что энергия или тепло будут перетекать от первых (при отрицательных абсолютных температурах) ко вторым (при положительных абсолютных температурах).
Исследуя это странное состояние частиц, управляя их энергетическими уровнями и квантовыми состояниями, ученые из Кембриджского университета обнаружили, что материя находится в необычном состоянии. По словам специалистов, эксперимент стал возможен только благодаря использованию принципов квантовой механики, а не термодинамики. Их работа была представлена 5 июня 2024 года на ежегодном собрании Отделения атомной, молекулярной и оптической физики Американского физического общества в Форт-Уэрте, штат Техас.
Поведение, похожее на темную энергию?
В рамках своего эксперимента команда из Кембриджа поместила облако, содержащее тысячи атомов калия, в вакуумную камеру, а затем подвергла их воздействию температуры, близкой к абсолютному нулю. Для этого исследователи использовали лазеры и магнитные поля. “Мы используем нейтральные атомы в оптических решетках в качестве аналога квантовых симуляторов”, — объясняют они в своем исследовании. Помимо прочего, это позволило контролировать квантовые и энергетические состояния атомов, чтобы довести их до абсолютно отрицательной температуры.
Следует отметить, что эти же исследователи уже проводили более или менее похожий эксперимент в 2013 году, используя ультрахолодный квантовый газ, состоящий из атомов калия. С помощью лазеров и магнитных полей отдельные атомы были выстроены в решетку. При положительных абсолютных температурах атомы отталкивались друг от друга, делая конфигурацию нестабильной. Напротив, при отрицательных абсолютных температурах (вызванных регулировкой магнитного поля) атомы притягивались друг к другу, делая систему более стабильной. “Это внезапно переводит атомы из их наименее стабильного энергетического состояния в максимально возможное энергетическое состояние, прежде чем они смогут вступить в реакцию”, — пояснил один из авторов исследования, Ульрих Шнайдер из Кембриджского университета, в своем блоге в журнале Nature.
“Это все равно что пройти по долине и мгновенно оказаться на вершине горы”, — добавил он. Эксперты пришли к выводу, что такое состояние может привести к появлению новой формы материи. В этом смысле технология нового эксперимента была усовершенствована: атомы стали выстраиваться в сложные гексагональные и треугольные узоры, называемые решетками Кагоме. Затем исследователи обнаружили, что атомы можно побудить к проявлению квантовых состояний, в которых их энергия исходит от взаимодействия с другими атомами.
Однако, как ни удивительно, кинетическая энергия у них отсутствует. Интересно отметить, что газ, подвергнутый воздействию отрицательной абсолютной температуры, ведет себя аналогично темной энергии — гипотетической силе, которая, как считается, отвечает, в частности, за ускорение расширения Вселенной и противостоит гравитационному притяжению.
В ходе предыдущего эксперимента Шнайдер и его коллеги обнаружили, что атомы, притягивающиеся друг к другу, в норме должны испытывать влияние гравитации, но не испытывают его из-за стабильности, вызванной отрицательным абсолютным значением. В качестве следующего шага исследователи планируют продолжить изучение точных свойств этой новой материи.
Решетка Кагоме
Кагомэ – это традиционный японский узор плетения бамбука. Название состоит из слов каго (корзина) и мэ (глаз), последнее относится к отверстиям в бамбуковой корзине.
Кагомэ представляет собой переплетённую конфигурацию прутьев, образующая узор тришестиугольной мозаики. Плетение даёт кагоме симметрию хиральной группы обоев, группы p6.
Детальный вид плетения кагомэ
Термин решётка кагомэ ввёл японский физик, иностранный член РАН Кодзи Фусими. Термин впервые появился в статье 1951, написанной Иширо Сёдзи под руководством Фусими. Решётка кагомэ в этом смысле состоит из вершин и рёбер тришестиугольной мозаики. Вопреки названию, эти пересечения не образуют математическую решётку.
Связанная трёхмерная структура, образованная вершинами и рёбрами четвертькубических сот, заполняющих пространство правильными тетраэдрами и усечёнными тетраэдрами, называется гиперрешёткой кагомэ. Она представляется вершинами и рёбрами четвертькубических сот, заполняющих пространство тетраэдрами и усечёнными тетраэдрами. Структура содержит четыре множества параллельных плоскостей, и каждая плоскость является двумерной решёткой кагомэ. Другое представление в трёхмерном пространстве имеет параллельные уровни двумерных решёток и называется орторомбическая решётка кагомэ. Тришестиугольные призматические соты представляют рёбра и вершины этой решётки.
Некоторые минералы, а именно ярозит и гербертсмитит, содержат двумерные решётки или трёхмерные решётки кагомэ, образованные из атомов в кристаллической структуре. Эти минералы показывают физические свойства, связанные с магнитами с геометрической фрустрацией. Например, распределение спинов магнитных ионов в Co3V2O8 располагается в виде решётки кагомэ и показывает удивительное магнитное поведение при низких температурах. Термин имеет сейчас широкое распространение в научной литературе, особенно в теоретическом изучении магнитных свойств теоретической решётки кагомэ.
Источники: https://new-science.ru/, https://ru.wikipedia.org/
