Еще со школьных уроков физики мы знаем о трех состояниях материи — твердое, жидкое и газообразное. Вы могли слышать еще и о плазменном состоянии, которое достигается при помощи нагревания газа. Однако квантовая физика работает несколько иначе и допускает, что тело может обладать свойствами как жидкостей, так и твердых тел одновременно — их называют сверхтвердыми. Такое состояние интересно тем, что частицы сверхтвердого вещества расположены в жесткой твердой структуре, однако при этом они могут течь без какого-либо сопротивления.
Существование таких тел не могли доказать более полувека — лишь в 2017 году ученые сумели получить первые образцы этой формы материи. Однако до сих пор сверхтвердые состояния достигались только в одномерном пространстве — то есть, в виде «листа» или цепочки капель.
Сверхтвердое тело намного сложнее, чем может показаться на первый взгляд. По сути, его атомы расположены в жесткой кристаллической структуре, как в обычном твердом теле, но они также могут течь (с нулевой вязкостью), подобно сверхтекучей жидкости. Это звучит парадоксально, но ученые считали подобное явление теоретически возможным с 1960-х годов — и в 2017 году его наконец удалось подтвердить экспериментально.
Несколько групп исследователей создали сверхтвердые тела, используя другое состояние вещества, называемое конденсатом Бозе-Эйнштейна (БЭК). Оно представляет собой газовые облака атомов низкой плотности, охлажденные почти до абсолютного нуля. В таких условиях проявляют странные квантовые аномалии, которые обычно не наблюдаются в большем масштабе. Все атомы в БЭК существуют в каждой точке облака одновременно благодаря явлению, получившему название «делокализация».
В предыдущих экспериментах сверхтвердые тела делались одномерными, так что атомы могли течь только в одном направлении. Но недавно команда университета Инсбрука придала им совершенно новое измерение: если проводить аналогию, то ученые превратили движение атомов по струне на движение по листу бумаги. Этот БЭК состоял из атомов диспрозия, и магнитные взаимодействия между частицами заставляли их собираться в капли, которые сами выстраивались в решетку.
«Со стороны кажется, что каждый атом находится в определенной капле, без возможности перехода между ними», — пояснил Мэтью Норча, автор исследования. «Однако в сверхтвердом состоянии каждая частица делокализована по всем каплям, существуя таким образом в каждой капле одновременно. По сути, у вас есть система с рядом областей с высокой плотностью (капель), которые имеют одни и те же делокализованные атомы».
Команда заявляет, что этот прорыв может позволить физикам изучать совершенно новый диапазон квантовых странностей, недоступных одномерному супертвердому телу.
«Например, в двумерной сверхтвердой системе можно изучить то, как в отверстии между несколькими соседними каплями образуются завихрения вещества», — заявил Норча. «Описанные мною вихри еще не были продемонстрированы на практике, но в теории они представляют собой важное следствие сверхтекучести».
