Супертвердый
| Физика конденсированного состояния |
|---|
 |
В физике конденсированного состояния — супертвёрдое тело это пространственно упорядоченный материал со сверхтекучими свойствами. В случае с гелием-4 с 1960-х годов высказывались предположения, что можно создать сверхтвердое тело. [1] Начиная с 2017 года окончательное доказательство существования этого состояния было предоставлено несколькими экспериментами с использованием атомных конденсатов Бозе-Эйнштейна . [2] Общие условия, необходимые для возникновения сверхтвердости в определенном веществе, являются темой текущих исследований.
Предыстория [ править ]
Супертвёрдое тело — это особое квантовое состояние материи, в котором частицы образуют жёсткую, пространственно упорядоченную структуру, но при этом текут с нулевой вязкостью . Это противоречит интуиции, согласно которой течение, и в частности сверхтекучее течение с нулевой вязкостью, является свойством исключительно жидкого состояния, например, сверхпроводящих электронных и нейтронных жидкостей, газов с конденсатами Бозе-Эйнштейна или нетрадиционных жидкостей, таких как гелий. 4 или гелий-3 при достаточно низкой температуре. Таким образом, более 50 лет было неясно, может ли существовать сверхтвердое состояние. [3]
Эксперименты с гелием [ править ]
Хотя несколько экспериментов дали отрицательные результаты, в 1980-х годах Джон Гудкайнд обнаружил первую аномалию в твердом теле с помощью ультразвука . [4] Вдохновленные его наблюдениями, в 2004 году Ын-Сон Ким и Мозес Чан из Университета штата Пенсильвания увидели явления, которые были интерпретированы как поведение сверхтвердого тела. [5] В частности, они наблюдали неклассический вращательный момент инерции. [6] крутильного осциллятора. Это наблюдение не могло быть объяснено классическими моделями, но согласовывалось со сверхтекучим поведением небольшого процента атомов гелия, содержащихся внутри генератора.
Это наблюдение послужило толчком к проведению большого количества последующих исследований, направленных на выявление роли дефектов кристалла или примесей гелия-3. Дальнейшие эксперименты поставили под сомнение существование настоящего сверхтвердого тела в гелии. Самое главное, было показано, что наблюдаемые явления во многом можно объяснить изменением упругих свойств гелия. [7] В 2012 году Чен повторил свои первоначальные эксперименты с новым устройством, которое было разработано для устранения любого такого вклада. В этом эксперименте Чен и его соавторы не обнаружили никаких доказательств сверхтвердости. [8]
Эксперименты с использованием ультрахолодных квантовых газов [ править ]
В 2017 году две исследовательские группы из ETH Zurich и MIT сообщили о создании ультрахолодного квантового газа со свойствами сверхтвердого тела. Группа из Цюриха поместила конденсат Бозе-Эйнштейна внутрь двух оптических резонаторов, что усилило взаимодействие атомов до тех пор, пока они не начали спонтанно кристаллизоваться и образовывать твердое тело, сохраняющее присущую конденсатам Бозе-Эйнштейна сверхтекучесть. [9] [10] Этот параметр реализует особую форму сверхтела, так называемое решеточное супертвердое тело, где атомы прикреплены к узлам навязанной извне решетчатой структуры. Группа Массачусетского технологического института подвергла конденсат Бозе-Эйнштейна в двухъямном потенциале воздействию световых лучей, которые создали эффективную спин-орбитальную связь . Интерференция между атомами в двух спин-орбитальных связанных узлах решетки привела к характерной модуляции плотности. [11] [12]
В 2019 году три группы из Штутгарта, Флоренции и Инсбрука наблюдали сверхтвердые свойства в диполярных конденсатах Бозе – Эйнштейна. [13] образуются из атомов лантаноидов . В этих системах сверхтвердость возникает непосредственно в результате взаимодействия атомов, без необходимости внешней оптической решетки. Это облегчило также прямое наблюдение сверхтекучего течения и, следовательно, окончательное доказательство существования сверхтвердого состояния материи. [14] [15]
В 2021 году диспрозий был использован для создания двумерного сверхтвердого квантового газа. [16] В 2022 году та же команда создала сверхтвёрдый диск в круглой ловушке. [17]
конфокальной В 2021 году квантовая электродинамика полости с конденсатом Бозе – Эйнштейна была использована для создания сверхтвердого тела, обладающего ключевым свойством твердых тел - вибрацией. То есть было создано сверхтвердое тело, обладающее решеточными фононами с дисперсией голдстоуновской моды, демонстрирующее скорость звука 16 см/с. [18]
Теория [ править ]
В большинстве теорий этого состояния предполагается, что вакансии – пустые места, обычно занимаемые частицами в идеальном кристалле, – приводят к сверхтвердости. Эти вакансии вызваны энергией нулевой точки , которая также заставляет их перемещаться от места к месту в виде волн . Поскольку вакансии являются бозонами , если такие облака вакансий могут существовать при очень низких температурах, то бозе-эйнштейновская конденсация вакансий может происходить при температурах менее нескольких десятых Кельвина. Когерентный поток вакансий эквивалентен «сверхпотоку» (потоку без трения) частиц в противоположном направлении. Несмотря на наличие газа вакансий, упорядоченная структура кристалла сохраняется, хотя в среднем в каждом узле решетки содержится менее одной частицы. Альтернативно, сверхтвердое тело также может возникнуть из сверхтекучего. В этой ситуации, реализующейся в экспериментах с атомарными бозе-эйнштейновскими конденсатами, пространственно-упорядоченная структура представляет собой модуляцию поверх распределения сверхтекучей плотности.
См. также [ править ]
Ссылки [ править ]
- ^ Честер, Г.В. (1970). «Рассуждения о бозе-эйнштейновской конденсации и квантовых кристаллах». Физический обзор А. 2 (1): 256–258. Бибкод : 1970PhRvA...2..256C . дои : 10.1103/PhysRevA.2.256 .
- ^ Доннер, Тобиас (3 апреля 2019 г.). «Точка зрения: диполярные квантовые газы становятся сверхтвердыми» . Физика . 12:38 . doi : 10.1103/Физика.12.38 .
- ^ Балибар, Себастьян (март 2010 г.). «Загадка сверхтвердости». Природа . 464 (7286): 176–182. Бибкод : 2010Natur.464..176B . дои : 10.1038/nature08913 . ПМИД 20220834 . S2CID 4303097 .
- ^ Чалмерс, Мэтью (1 мая 2007 г.). «Квантовое твердое тело, которое бросает вызов ожиданиям» . Мир физики . Проверено 25 февраля 2009 г.
- ^ Ким, Э.; Чан, MHW (2004). «Вероятное наблюдение сверхтвердой фазы гелия». Природа . 427 (6971): 225–227. Бибкод : 2004Natur.427..225K . дои : 10.1038/nature02220 . ПМИД 14724632 . S2CID 3112651 .
- ^ Леггетт, Эй Джей (30 ноября 1970 г.). «Может ли твердое тело быть «сверхтекучим»?». Письма о физических отзывах . 25 (22): 1543–1546. Бибкод : 1970PhRvL..25.1543L . doi : 10.1103/PhysRevLett.25.1543 . S2CID 122591300 .
- ^ Дэй, Джеймс; Бимиш, Джон (декабрь 2007 г.). «Изменение модуля сдвига при низких температурах в твердом 4 He и связь со сверхтвердостью». Природа . 450 (7171): 853–856. arXiv : 0709.4666 . Бибкод : 2007Natur.450..853D . дои : 10.1038/nature06383 . ПМИД 18064007 . S2CID 4411989 .
- ^ Восс, Дэвид (08 октября 2012 г.). «В центре внимания: новые эксперименты первооткрывателя сверхтвердого тела не показывают сверхтвердого тела». Физика . 5 : 111. Бибкод : 2012PhyOJ...5..111V . дои : 10.1103/физика.5.111 .
- ^ Вюрстен, Феликс (1 марта 2017 г.). «Кристаллический и жидкий одновременно» . ETH Цюрих . Проверено 18 января 2018 г.
- ^ Леонар, Жюлиан; Моралес, Андреа; Зупанчич, Филип; Эсслингер, Тилман; Доннер, Тобиас (1 марта 2017 г.). «Образование сверхтвердого тела в квантовом газе, нарушающее непрерывную трансляционную симметрию». Природа . 543 (7643): 87–90. arXiv : 1609.09053 . Бибкод : 2017Natur.543...87L . дои : 10.1038/nature21067 . ПМИД 28252072 . S2CID 4459567 .
- ^ Келлер, Джулия К. (2 марта 2017 г.). «Исследователи MIT создают новую форму материи» . Новости МТИ . Проверено 18 января 2018 г.
- ^ Ли, Цзюнь-Ру; Ли, Чонвон; Хуан, Уцзе; Бурчески, Шон; Штейнас, Борис; Вверху – Фуркан Чагры; Джеймисон, Алан О.; Кеттерле, Вольфганг (1 марта 2017 г.). «Полосовая фаза со сверхтвердыми свойствами в спин-орбитально-связанных конденсатах Бозе – Эйнштейна». Природа . 543 (7643): 91–94. arXiv : 1610.08194 . Бибкод : 2017Natur.543...91L . дои : 10.1038/nature21431 . ПМИД 28252062 . S2CID 4463520 .
- ^ Доннер, Тобиас (3 апреля 2019 г.). «Точка зрения: диполярные квантовые газы становятся сверхтвердыми» . АПС Физика . Проверено 19 апреля 2019 г.
- ^ Го, Минъян; Бетчер, Фабиан; Херткорн, Йенс; Шмидт, Ян-Никлас; Венцель, Матиас; Бюхлер, Ганс Петер; Ланген, Тим; Пфау, Тилман (октябрь 2019 г.). «Низкоэнергетический режим Голдстоуна в захваченном диполярном сверхтвердом теле». Природа . 574 (7778): 386–389. arXiv : 1906.04633 . Бибкод : 2019Nature.574..386G . дои : 10.1038/s41586-019-1569-5 . ПМИД 31499511 . S2CID 184488202 .
- ^ Танзи, Л.; Рокуццо, С.М.; Лючони, Э.; Фама, Ф.; Фиоретти, А.; Габбанини, К.; Модуньо, Г.; Рекати, А.; Стрингари, С. (октябрь 2019 г.). «Сверхтвердая симметрия, нарушаемая колебаниями сжатия в диполярном квантовом газе». Природа . 574 (7778): 382–385. arXiv : 1906.02791 . Бибкод : 2019Natur.574..382T . дои : 10.1038/s41586-019-1568-6 . ПМИД 31499510 . S2CID 174801325 .
- ^ Норсия, Мэтью А.; Полити, Клаудия; Клаус, Лауриц; Поли, Елена; Сомен, Максимилиан; Марк, Манфред Дж.; Биссет, Рассел Н.; Сантос, Луис; Ферлайно, Франческа (август 2021 г.). «Двумерная сверхтвердость в диполярном квантовом газе». Природа . 596 (7872): 357–361. arXiv : 2102.05555 . Бибкод : 2021Natur.596..357N . дои : 10.1038/s41586-021-03725-7 . ПМИД 34408330 . S2CID 231861397 .
- ^ Бланд, Томас; Полли, Елена; Политика, Клаудия; Лауриц, Клаус; Норсия, Мэтью А.; Ферлайно, Франческа; Сэйнтс, Луи; Биссет, Рассел Н. (13 мая 2022 г.). «Двумерная сверхтвердость в круговой ловушке». Физ. Преподобный о. Летт . 128 (19): 195302.arXiv : 2107.06680 . doi : 10.1103/PhysRevLett.128.195302 . ПМИД 35622047 . S2CID 248781709 .
- ^ Го, Юдан; Кроэзе, Ронен М.; Марш, Брендан П.; Гопалакришнан, Саранг; Килинг, Джонатан; Лев, Бенджамин Л. (2021). «Оптическая решетка со звуком». Природа . 599 (7884): 211–215. arXiv : 2104.13922 . Бибкод : 2021Natur.599..211G . дои : 10.1038/s41586-021-03945-x . hdl : 10023/25329 . ПМИД 34759361 . S2CID 233423569 .
