Надтверде тіло, або надплинне тверде тілоЯВИЩЕ НАДПЛИННОСТІ: ІСТОРІЯ ВІДКРИТТЯ ТА СУЧАСНИЙ СТАН ДОСЛІДЖЕННЯ — у фізиці конденсованих середовищ надтверде тіло — це просторово впорядкований матеріал із надтекучими властивостями. У випадку гелію-4 з 1960-х років висловлювалися припущення, що можливо створити надтверду речовину. Починаючи з 2017 року, остаточний доказ існування цього стану надано кількома експериментами з використанням атомарних конденсатів Бозе-Ейнштейна. Загальні умови, необхідні для виникнення надтвердості в певній речовині, є темою постійних досліджень.
Передумови Надтверде тіло — це особливий квантовий стан матерії, де частинки утворюють жорстку, просторово впорядковану структуру, але також течуть з нульовою в'язкістю. Це суперечить інтуїції, що потік, і зокрема надплинний потік з нульовою в'язкістю, є властивістю виключно рідкого стану, наприклад, надпровідних електронних та нейтронних рідин, газів з конденсатами Бозе-Ейнштейна або нетрадиційних рідин, таких як гелій-4 або гелій-3, за достатньо низької температури. Таким чином, протягом понад 50 років було неясно, чи може існувати надтвердий стан.
Суперскло Суперскло — це подібна гіпотетична фаза матерії, яка характеризується одночасно надплинністю та замороженою аморфною структурою. Цю ідею висунув Ентоні Джеймс Леггетт у 1970 році. У 2009 році було висунуто теорію, що заморожений гелій-4 (при 0,2 K та 50 атм) може бути суперсклом.
Експерименти з гелієм У 1980-х роках за допомогою ультразвуку було виявлено першу аномалію у твердому тілі. Подальші дослідження виявили надтверду поведінку у 2004 році. Зокрема, спостерігався некласичний обертальний момент інерції крутильного осцилятора. Це спостереження не могло бути пояснене класичними моделями, але узгоджувалося з надплинною поведінкою невеликого відсотка атомів гелію, що містяться в осциляторі. Це спостереження спровокувало велику кількість подальших досліджень, щоб виявити роль, яку відіграють кристалічні дефекти або домішки гелію-3. Подальші експерименти поставили під сумнів існування справжнього надтвердого тіла в гелії. Найголовніше, що було показано, що спостережувані явища можна значною мірою пояснити змінами пружних властивостей гелію. У 2012 році експерименти, які виявили поведінку, подібну до надтвердого тіла, у 2004 році були повторені, щоб виключити будь-які такі внески. У повторних експериментах не було виявлено жодної надтвердої поведінки.
Експерименти з ультрахолодними квантовими газами У 2017 році надтверді властивості були створені в ультрахолодних квантових газах за допомогою різних методів. В одному з них конденсат Бозе-Ейнштейна був поміщений всередину двох оптичних резонаторів, що посилювало атомні взаємодії, доки вони не почали спонтанно кристалізуватися та утворювати тверде тіло, яке зберігає властиву надплинність конденсатів Бозе-Ейнштейна. Ця установка реалізує особливу форму надтвердого тіла, так зване ґратчасте надтверде тіло, де атоми закріплені на вузлах зовні нав'язаної ґратчастої структури.
Інший метод опромінював конденсат Бозе-Ейнштейна в подвійному потенціалі світловими променями, що створювало ефективне спін-орбітальне зв'язування. Інтерференція між атомами на двох спін-орбітально зв'язаних вузлах решітки призводила до характерної модуляції густини.
У 2019 році три дослідницькі групи незалежно спостерігали надтверді властивості диполярних конденсатів Бозе-Ейнштейна, утворених з атомів лантаноїдів. У цих системах надтвердість виникає безпосередньо внаслідок атомних взаємодій, без потреби в зовнішній оптичній ґратці. Це також дозволило безпосередньо спостерігати надплинний потік і, отже, остаточно довести існування надтвердого стану речовини.
У 2021 році з конденсатом Бозе-Ейнштейна була використана для створення надтвердого тіла, яке володіє ключовою властивістю твердих тіл – вібрацією. Тобто, було створено надтверде тіло, яке має фонони решітки з дисперсією моди Голдстоуна, що демонструє швидкість звуку.
У 2021 році був використаний диспрозій для створення двовимірного надтвердого квантового газу, у 2022 році та сама команда створила надтвердий диск у круглій пастці, а у 2024 році вони повідомили про спостереження квантових вихорів у надтвердій фазі.
Примітки