Загадки вещества или как твёрдое может быть сверхтекучим

Поведение физических объектов в так называемых стандартных условиях – при комнатной температуре и атмосферном давлении – привычно и интуитивно понятно: никому не нужно объяснять, что такое жидкость, и вряд ли найдется человек, который удивится, увидев, как кофе выливается из перевернутой вверх дном чашки.

Но с тех пор, как человек обнаружил в мироздании квантовые законы, нашу бытовую интуицию со здравым смыслом вкупе пришлось сильно ограничить в правах. Корпускулярно-волновой дуализм, квантовое туннелирование, запутанные фотоны – всё это стало экспериментально подтверждённой реальностью. Даже представление об агрегатных состояниях вещества потребовалось расширить: к газу, жидкости и твёрдому телу добавилась плазма, с которой мы, впрочем, сталкиваемся довольно редко.

Физические свойства тел во многом зависят от температуры. Речь не только о том, будет ли вещество твёрдым, жидким или газообразным, температура еще и «маскирует» некоторые особенности, следующие из квантовой природы материи. Дело в том, что тепловое движение атомов в некотором смысле усредняет структуру вещества, и многие свойства, теоретически свойственные системе, «размазываются» тепловыми эффектами. Яркий пример – сверхпроводимость, – состояние, при котором электроны в металле образуют «связанные» пары, что позволяет току течь без какого-либо сопротивления. При повышении температуры электронные пары распадаются на обычные электроны, и в материале возникает сопротивление. Физика конденсированных сред упорно ищет материал, который бы оставался сверхпроводящим при комнатной температуре, ведь это бы позволило сделать огромный технологический прорыв.

Помимо сверхпроводимости существует мириад квантовых фаз с самыми разнообразными и экзотическими свойствами. Одно из них – это сверхтекучесть, то есть нулевая вязкость. Например, будь кофе сверхтекучим, он «выползал» бы из чашки, а если бы мы его размешали, он бы крутился в воронке бесконечно.

Чтобы избавиться от усредняющего эффекта теплового движения атомов, квантовые фазы вещества приходится изучать в экстремальных лабораторных условиях: при низких температурах, в глубоком вакууме, а иногда и в сверхвысоких магнитных полях. По мере понижения температуры тепловое движение уступает по энергии квантовым свойствам вещества, и свойства вещества приобретают контринтуитивный характер. Такие головоломки обычно ведут к «новой физике» – исследователи вынуждены уточнять существующие модели, а то и разрабатывать новую теорию, чтобы объяснить неожиданные эффекты.

Впрочем, иногда бывает и наоборот, когда теоретические предсказания бросают вызов экспериментаторам. Так, недавно теоретики предположили, что в твёрдом гелии возможна сверхтекучесть, если атомы гелия будут двигаться в твёрдом кристалле гелия, проявляя так называемое супертвёрдое поведение. Как наблюдать такое поведение экспериментально, впрочем, было неясно.

Экспериментаторы из Массачусетского технологического института под руководством Вольфганга Кеттерле (Wolfgang Ketterle) приняли вызов. Они использовали лазер, чтобы перевести так называемый конденсат Бозе-Эйнштейна (КБЭ) в квантовую фазу, которая обладает упорядоченностью, как твёрдое вещество, одновременно сохраняя способность течь с нулевой вязкостью, как это положено сверхтекучей жидкости. (Напомним, что сам Вольфганг Кеттерле одним из первых начал экспериментировать с холодными атомами и конденсатом Бозе-Эйнштейна, а в 2001 году он разделил Нобелевскую премию с Эриком Корнеллом и Карлом Виманом, которые впервые создали КБЭ в лаборатории.)

Физики использовали лазерное охлаждение в сочетании с испарительными методами охлаждения: как испарение воды с поверхности кожи понижает температуру тела, так и испарение жидкого гелия позволяет охладить образец до тысячных долей градуса выше абсолютного нуля. Затем атомы замедляют за счёт различных эффектов, возникающих при взаимодействии со светом, как, например, описано здесь. Таким образом атомы натрия были охлаждены до нескольких нанокельвинов выше абсолютного нуля (шкала Кельвина эквивалентна шкале Цельсия, только она отсчитывает температуру от абсолютного нуля, то есть 0 K = -273.15°C).

При такой низкой температуре атомы натрия находятся в особом агрегатном состоянии, или квантовой фазе, которая и называется конденсатом Бозе-Эйнштейна. КБЭ формируется из бозонов – частиц с целочисленным спином, которые подчиняются статистике Бозе. Главная особенность бозонов заключается в том, что, в отличие от фермионов (то есть частиц с нецелым спином, например, электронов), они не подчиняются запрету Паули (напомним, это означает, что две частицы не могут находиться в одном и том же месте с одной и той же энергией). Бозоны же стремятся занять одно и то же состояние с наименьшей возможной энергией (типичный пример бозонов – фотоны), вследствие чего конденсат Бозе-Эйнштейна обладает необычными свойствами. В случае атомов натрия КБЭ представляет собой разреженный сверхтекучий газ.

Согласно Кеттерле, одна из главных задач эксперимента состояла в том, чтобы сформировать внутреннюю упорядоченность и собственную форму у КБЭ, чтобы его можно было назвать твёрдым телом. Создавая сверхтвердость, физики использовали лазерные лучи для управления атомами натрия в КБЭ. Главная цель такого лазерного облучения заключалась в том, чтобы создать спин-орбитальное взаимодействие в атомах конденсата Бозе-Эйнштейна. Это взаимодействие обычно присутствует в тяжёлых элементах, в которых электроны внешних оболочек сильно подвержены релятивистским эффектам. В результате магнитный момент электрона (спин) взаимодействует со своим же орбитальным моментом.

Атомы натрия находились в камере со сверхглубоким вакуумом, и с помощью лазеров половина атомов конденсата перешла в состояние с противоположным направлением спина. Стоит напомнить, что направление спина – приближённое понятие, поскольку в квантовомеханических системах подобные свойства подчиняются вероятностным законам, так что переворот спина – это сложный процесс, во время которого усреднённая проекция магнитного момента описывает определённую траекторию в пространстве.

Итак, с помощью лазера спины половины атомов «переворачиваются», и в ловушке фактически оказывается смесь двух разных КБЭ. По словам Кеттерле, «…дополнительные лазеры дают атомам с перевёрнутыми спинами дополнительный «толчок», чтобы осуществить спин-орбитальное взаимодействие».

Теоретики предсказали, что спин-орбитальное взаимодействие в КБЭ должно приводить к сверхтвёрдому состоянию за счёт спонтанной «модуляции плотности». Как и в кристаллическом твёрдом теле, плотность сверхтвёрдого тела не является постоянной, а имеет структуру, схожую с рябью или волнами – так называемую фазу полосок. Цзюньжу Ли (Junru Li), аспирант в группе Кеттерле, в связи с этим заметил, что «самое сложное – наблюдать модуляцию плотности. Рецепт по созданию сверхтвёрдого тела сам по себе прост, а вот сверхточная настройка лазерных лучей, чтобы всё стабилизировалось для наблюдения фазы полосок, – это действительно тяжёлая задача». Результаты экспериментов опубликованы в Nature.

На сегодняшний день сверхтвёрдое вещество существует только при экстремально низких температурах в ультраглубоком вакууме. Физики планируют новые эксперименты со сверхтвёрдым веществом и спин-орбитальным взаимодействием, чтобы лучше  понять и охарактеризовать новое состояние материи, которое они создали.

Другие исследовательские группы также работают над сверхтвёрдым веществом. Тильман Эсслингер и его группа в Швейцарской высшей технической школе Цюриха опубликовали альтернативный способ получения сверхтвёрдого вещества одновременно с командой Кеттерле. В их работе сверхтвёрдое состояние КБЭ получается при помощи системы зеркальных резонаторов, которые собирают лазерный свет, рассеянный атомами.

В перспективе нам предстоит еще больше узнать как о новой экзотической форме вещества, так и о самих явлениях сверхпроводимости и сверхтекучести; и кто знает, может быть, когда-нибудь кофе в чашке и впрямь закрутится в вечной воронке.