Вещество-хамелеон: Учените за първи път уловиха квантовия парадокс в движение

Учените за първи път успешно са наблюдавали уникалните свойства на така нареченото „свръхтвърдо“ вещество – вещество, което едновременно притежава характеристиките на твърдо вещество и течност. Този експеримент е пряко доказателство за двойствената природа на това квантово състояние.

При обикновени условия познаваме четири състояния на веществото: твърдо, течно, газообразно и по-рядкото – плазма. При изключително ниски температури, близки до абсолютната нула (-273,15°C) обаче, материята започва да се държи необичайно, като създава така наречените „екзотични“ състояния. Едно от тези състояния е свръхфлуид – вещество с нулев вискозитет, т.е. без съпротивление на потока. В случай на смесване свръхфлуидът ще се движи безкрайно дълго, без да се забавя.

Преди повече от половин век учените предположиха съществуването на „свръхтвърдо вещество“ – вещество, което съчетава свойствата на твърдо тяло и свръхфлуид. Това вещество образува кристална структура, но в същото време част от атомите му могат свободно да преминават, без да изпитват триене.

Досега възможно да се получат кристалните структури на свръхтвърдите вещества, но не беше възможно да се наблюдава директно как се движат. Пробивът е постигнат в ново изследване, ръководено от физика Франческа Ферлейно от Университета в Инсбрук, Австрия, публикувано в списание Nature. Екипът е успял да създаде и разбърка свръхтвърда течност, за да улови малки вихри, наречени квантирани вихри – един вид „доказателство“ за свръхфлуид.

В експеримента, използвайки аналогия с чаша кафе, която се завихря при разбъркване с лъжичка учените наблюдават как се образуват малки вихри в свръхтвърдото вещество. При бавно разбъркване веществото остава неподвижно, но когато се ускори, започват да се образуват малки вихри, подредени в симетрични модели, напомнящи дупки в сирене грюер.

Изследователите от Университета в Инсбрук вече бяха създали двуизмерна свръхтвърда течност през 2021 година като охладиха специални атоми до изключително ниски температури. Сега те са намерили начин да го завъртят, без да разрушат крехката структура, като използват магнитни полета. Тази стъпка отвори възможността за точно наблюдение на появата на количествени вихри, потвърждавайки съществуването на двойствената природа на свръхтвърдото състояние.

Постигнатият успех дава възможност да се симулират в лабораторни условия процеси, които обикновено се наблюдават само при екстремни явления като експлозиите на свръхнови. Учените предполагат, че промените в скоростта на въртене на неутронните звезди, наречени „glitches“ са свързани с подобни свръхфлуидни вихри, които се образуват в ядрото им.