Австрийские физики создали одновременно сверхтвёрдую и сверхтекучую материю в виде плоского кристалла

Учёные охладили атомы металла почти до абсолютного нуля и получили кристалл с противоречивыми свойствами. Он был совершенно твёрд и при этом совершенно текуч из-за квантовых эффектов. Если бы этот кристалл удалось размешать ложкой — он бы бесконечно кружился из-за отсутствия трения. Он обладает взаимоисключающими свойствами из-за квантовых эффектов

Специалисты Инсбрукского университета имени Леопольда и Франца впервые создали двумерную форму сверхтвёрдого тела — экзотического состояния материи, которое было теоретически описано в 1960-х годах. Атомы в таком теле образуют жёсткую кристаллическую структуру, но при этом проявляют свойства жидкости с нулевой вязкостью. Об этом физики рассказали в журнале Nature.

Учёные выстроили атомы диспрозия (редкоземельного металла) в плоский лист и охладили почти до абсолютного нуля — то есть, их температура менее чем на одну миллионную часть превышала −273,15 °C. В таком состоянии атомы перестают двигаться (колебаться) из-за отсутствия энергии и попадают в один из крайних случаев принципа неопределённости Гейзенберга.

Согласно принципу неопределённости Гейзенберга, квантовая частица не может одновременно иметь определённую скорость (импульс) и местоположение (координаты). Чем точнее её скорость — тем более «размыто» местоположение, и наоборот.

Когда атомы перестают колебаться, они получают максимально определённый импульс — нулевой. Поэтому их местоположение становится максимально неопределённым. После того, как австрийские физики охладили лист диспрозия — его атомы «размылись» до такой степени, что их границы расширились до границ самого листа. Лист как будто превратился в одну большую квантовую частицу и стал вести себя как сверхтекучая жидкость: если бы его можно было помешать ложкой — он бы бесконечно кружился, не испытывая трения.



Однако эта жидкость имела не сплошную структуру, а зернистую, в виде капель из «слипшихся» атомов. Из-за принципа неопределённости каждый атом диспрозия находится одновременно во всех каплях, но сами капли образовывали стабильную кристаллическую структуру, как в обычном металле. Даже более стабильную, потому что атомы металла в обычных условиях испытывают тепловые колебания, которых не было в листе диспрозия. Поэтому такое состояние материи называют сверхтвёрдым телом — и одновременно сверхтекучим.

Существование сверхтвёрдых тел оставалось недоказанным около полувека — только в 2017 году учёные получили первые опытные образцы этой формы материи. А сейчас им удалось создать сверхтвёрдое тело в форме листа.

Физики пока затрудняются сказать, для чего можно использовать сверхтвёрдые тела — сейчас это исключительно экспериментальная область. С её помощью можно изучать тонкости взаимодействия частиц материи в экстремальных условиях.

via