Как квантовые вихри подтвердили сверхтекучесть в сверхтвердом теле? Парадоксальный дуэт в мире квантов

Эксперименты с ультрахолодными атомами открывают новые горизонты в исследовании экзотических состояний вещества. Одним из таких состояний является сверхтвёрдое тело — уникальная фаза материи, сочетающая свойства твёрдого тела (кристаллическая структура) и сверхтекучей жидкости (беспрепятственное течение без вязкости). До недавнего времени существование квантованных вихрей — неотъемлемого признака сверхтекучести — в сверхтвёрдом теле оставалось недоказанным. Однако, недавние исследования, проведённые международной группой учёных, проливают свет на эту загадку.

Сверхтвёрдое тело: двойная симметрия

Сверхтвёрдое состояние характеризуется одновременным нарушением двух непрерывных симметрий: трансляционной (появление периодической структуры) и фазовой (синхронизация волновых функций отдельных частиц, приводящая к сверхтекучести). Впервые предсказанное для твёрдого гелия, это состояние впоследствии было успешно смоделировано с использованием дипольных атомов, которые благодаря своим магнитным моментам взаимодействуют на больших расстояниях. В этих моделях сверхтекучесть и кристаллическая структура сосуществуют. Однако, прямое экспериментальное подтверждение сверхтекучести, например, через наблюдение квантованных вихрей, отсутствовало.

Вихри как доказательство сверхтекучести

Квантованный характер вращения в сверхтекучих системах связан с однозначной и непрерывной природой макроскопической волновой функции. Наблюдение квантованных вихрей является бесспорным доказательством наличия сверхтекучести. Это явление наблюдается в самых разных системах: от сверхтекучего гелия до бозе-эйнштейновских конденсатов, экцитон-поляритонных конденсатов и даже сверхпроводников. Вихри свободно перемещаются в однородной среде, но поведение вихрей в сверхтвёрдом теле, где пространственная однородность нарушена кристаллической решеткой, представляет собой отдельную задачу.

Эксперимент: стимулирование вихрей магнитовозмущением

Для возбуждения вихрей в дипольном сверхтвёрдом теле учёные использовали метод магнитовозмущения. Он основан на вращении магнитного поля, которое приводит к «взмучиванию» дипольного газа, аналогично тому, как вращение жидкости вызывает образование вихрей. Благодаря теоретическому моделированию, с использованием расширенного уравнения Гросса-Питаевского, удалось предсказать поведение системы при вращении. Результаты моделирования показали существенное отличие в формировании вихрей в обычном бозе-эйнштейновском конденсате и сверхтвёрдом теле.

Результаты: уникальное поведение вихрей в сверхтвёрдом теле

В обычном бозе-эйнштейновском конденсате образование вихрей происходит при сравнительно высоких частотах вращения, резонансно взаимодействуя с квадрупольными модами колебаний. В сверхтвёрдом теле ситуация кардинально меняется. Благодаря двойной природе состояния (сверхтекучесть + кристаллическая структура) вихри возникают при значительно меньших частотах вращения. Кроме того, наблюдается монотонное увеличение количества вихрей с ростом частоты вращения, что свидетельствует о взаимодействии вихрей с кристаллической решёткой. Эти наблюдения подтверждают специфическое поведение вихрей в сверхтвёрдом теле.

Заключение: новые горизонты в физике

Экспериментальное наблюдение квантованных вихрей в дипольном сверхтвёрдом теле подтверждает наличие сверхтекучести в этом экзотическом состоянии и открывает новые возможности для изучения гидродинамических свойств систем с несколькими спонтанно нарушенными симметриями. Наблюдаемое взаимодействие вихрей с кристаллической решёткой открывает новые перспективы для исследования квантовых явлений в различных областях, от квантовых кристаллов до нейтронных звёзд. Полученные результаты прокладывают путь к дальнейшему изучению сверхтвёрдых тел и их удивительных свойств.