Супертвердое тело — это квантовое состояние, которое соединяет свойства, обычно несовместимые в классической физике. Такое тело жесткое, как кристалл, но при этом течет без трения, подобно сверхтекучей жидкости. Супертвердое состояние материи ученые смогли получить совсем недавно, охладив облака атомов до миллиардных долей градуса выше абсолютного нуля.
Команда под руководством Франчески Ферлайно решила выяснить, что произойдет с супертвердым газом, если начать его вращать с помощью тщательно контролируемого магнитного поля. Внутри необычного образца отдельные «квантовые капли» расположены с идеальной кристаллической регулярностью и соединены между собой сверхтекучим веществом. Когда специалисты начали медленно «раскачивать» систему, каждая из капель стала прецессировать, следуя за вращением магнитного поля. Но настоящий сюрприз произошел, когда в системе появились квантовые вихри: все образование внезапно стало вращаться синхронно, будто Вселенная задала общий ритм.
«Нас удивило, что суперсолидный кристалл не просто вращался хаотично», — говорит Елена Поли, возглавлявшая теоретическое моделирование эксперимента. «Как только сформировались квантовые вихри, вся структура вошла в ритм с внешним магнитным полем — словно природа нашла свой собственный такт». По словам соавтора работы Андрея Литвинова, момент синхронизации был по‑настоящему захватывающим: «Все данные вдруг выстроились, и мы поняли, что видим удивительно упорядоченный квантовый процесс».
Синхронизация — распространенное явление в природе: маятниковые часы начинают тикать в унисон, светлячки мигают одновременно, клетки сердца бьются синхронно. Теперь выяснилось, что даже экзотическая квантовая материя способна к такому поведению.
Эксперименты проводились с атомами диспрозия, охлажденными до температуры всего в несколько миллиардных долей градуса выше абсолютного нуля. При таких экстремальных условиях квантовые эффекты становятся доминирующими, позволяя наблюдать необычные состояния материи.
Открытие имеет не только фундаментальное значение. Подобные вихревые процессы, как полагают ученые, могут происходить в нейтронных звездах — одних из самых плотных объектов во Вселенной. «Супертвердые тела — это идеальная площадка для изучения вопросов, которые иначе недоступны», — отмечает Поли. — «Хотя эти системы создаются в лабораторных ловушках размером в микрометры, их поведение может отражать явления космических масштабов».
Ранее ученые раскрыли тайну «квантовой двери» и объяснили, как электроны покидают твердые тела.
