И твердое, и жидкое: физики впервые доказали двойную природу странного состояния материи

Фото: ScienceAlert

Физикам впервые удалось успешно размешать странное вещество под названием сверхтекучее твердое тело, которое одновременно твердое и жидкое. Таким образом ученые получили первые прямые доказательства двойной природы необычного состояния материи. Исследование опубликовано в журнале Nature, пишет ScienceAlert.

Экзотические состояния материи

Сейчас физикам известно о существовании четырех состояний материи: твердое, жидкое, газообразное и плазма. Ученые уже давно изучают экзотические состояния материи, которые создаются при охлаждении вещества до температур, близких к абсолютному нулю, то есть минус 273,15 градуса Цельсия.

В таких условиях материя начинает вести себя странным образом. Жидкость или газ могут испытывать большее или меньшее сопротивление течению, которое измеряется вязкостью. Сверхтекучие жидкости имеют нулевую вязкость, ведь у них нет сопротивления и они текут свободно. Если взять сверхтекучую жидкость и размешать ее в чашке, то она будет течь бесконечно.

Сверхтекучее твердое тело

В то же время существует такое экзотическое состояние материи, как сверхтекучие твердые тела. Такое вещество имеет свойства как твердого тела, так и сверхтекучей жидкости. Часть атомов этого вещества течет без трения через решетку жесткой кристаллической структуры. Раньше физики уже наблюдали эти кристаллические структуры внутри сверхтекучих твердых тел. Но еще никогда не удавалось напрямую увидеть, как течет это вещество. До нового исследования ученых.

Ученые создали долгоживущее двумерное сверхтекучее твердое тело путем охлаждения отдельных атомов и молекул до почти абсолютного нуля. Затем они смогли размешать сверхтекучее твердое тело и увидели крошечные водовороты, которые называются квантованными вихрями. Именно они стали доказательством сверхтекучести.

"Квантовый сыр"

В качестве объяснение своего эксперимента физики приводят следующий пример. Представьте, что вы слегка помешиваете кофе в чашке. Жидкость будет вращаться вокруг и в середине чашки образуется водоворот, где жидкость закручивается быстрее всего. Таким образом это является примером вихря в обычной жидкости.

Представьте, что в чаше находится сверхтекучая жидкость. По мере медленного помешивания ложкой можно увидеть, что сверхтекучая жидкость вообще не вращается и остается неподвижной. Если же помешивать сверхтекучую жидкость быстрее, то возникнет не один большой водоворот в центре чашки, а много крошечных водоворотов. Это и есть квантованные вихри.

Доказательство двойной природы сверхтекучих твердых тел

По словам физиков, такие вихри возникают на поверхности сверхтекучей жидкости и составляют регулярный узор, похожий на дыры в сыре, но более идеально расположенные. Физики использовали магнитные поля для вращения сверхтекучего твердого тела и перемешивали его, чтобы создать квантованные вихри. В результате они получили первое прямое доказательство двойной природы такого состояния материи, как сверхтекучее твердое тело.

Почему это важно?

Ученые считают, что это достижение позволит создавать модели физических явлений, которые возникают только в невероятно экстремальной среде. Например, таким образом можно выяснить, что происходит внутри нейтронных звезд. Это чрезвычайно плотные остатки умерших массивных звезд, и их диаметр составляет всего от 12 до 20 км. Физики считают, что изменение скорости вращения нейтронных звезд вызвано сверхтекучими вихрями в их недрах.

Ирина Скиба / Skibair
Журналист ATinform