Сверхтвёрдое тело — это парадоксальное состояние вещества: оно жёсткое, как кристалл, но течёт без трения, как сверхтекучая жидкость. Эта экзотическая форма квантового вещества была реализована недавно в дипольных квантовых газах.
Исследователи под руководством Франчески Ферлайно решили изучить, как взаимодействуют твёрдые и сверхтекучие свойства сверхтвёрдого тела, особенно при вращении. Исследование опубликовано в журнале Nature Physics.
В экспериментах они вращали сверхтвёрдое квантовое вещество с помощью тщательно контролируемого магнитного поля и наблюдали поразительное явление.
«Квантовые капли в сверхтвёрдом теле имеют кристаллический периодический порядок, окружённые сверхтекучей жидкостью», — объясняет Франческа Ферлайно.
«Каждая капля прецессирует вслед за вращением внешнего магнитного поля; все они вращаются коллективно. Когда в систему входит вихрь, прецессия и вращение начинают синхронизироваться», — добавляет Елена Поли, которая руководила теоретическим моделированием.
«Нас удивило то, что сверхтвёрдое кристаллическое вещество не вращалось хаотично, — говорит Поли. — Как только образовались квантовые вихри, вся структура начала синхронизироваться с внешним магнитным полем — словно природа находит свой собственный ритм».
Андрей Литвинофф, проводивший эксперименты, отмечает: «Было волнительно увидеть, как данные внезапно совпали с теорией. Был момент, когда система просто „встала в ритм“».
Синхронизация — это когда две или более системы начинают действовать согласованно. Это обычное явление в природе — например, маятниковые часы тикают в унисон, светлячки мигают вместе, или клетки сердца бьются синхронно. Команда из Инсбрука показала, что даже экзотическая квантовая материя может синхронизироваться.
Открытие не только углубляет понимание этого необычного состояния вещества, но и предлагает новый мощный способ исследования квантовых систем. Отслеживая синхронизацию, команда смогла определить критическую частоту, при которой появляются вихри — фундаментальное свойство вращающихся квантовых жидкостей, которое было трудно измерить напрямую.
Команда объединила передовые симуляции с деликатными экспериментами на ультрахолодных атомах диспрозия, охлаждённых до миллиардных долей градуса выше абсолютного нуля. Используя технику, называемую «магнитоперемешиванием», они смогли вращать сверхтвёрдое вещество и с высокой точностью фиксировать его эволюцию.
Результаты могут иметь значение не только в лаборатории. Считается, что подобная динамика вихрей играет роль в внезапных «глюках», наблюдаемых в нейтронных звёздах, одних из самых плотных объектов во Вселенной.
«Сверхтвёрдые тела — это идеальная площадка для изучения вопросов, которые в противном случае были бы недоступны», — говорит Поли. «Хотя эти системы создаются в лабораторных ловушках микрометрового размера, их поведение может отражать явления космического масштаба».
«Эта работа стала возможной благодаря тесному сотрудничеству между теорией и экспериментом — и креативности молодых исследователей в нашей команде», — говорит Франческа Ферлайно из Департамента экспериментальной физики Университета Инсбрука и Института квантовой оптики и квантовой информации (IQOQI) Австрийской академии наук (ÖAW).
Исследование проводилось в партнёрстве с Центром БЭК Питаевского Университета Тренто.
Предоставлено Университетом Инсбрука.