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.
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]
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 Чан повторил свои оригинальные 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]
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 решетчатое супертвердое тело, где атомы прикреплены к узлам внешней 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 бозе-эйнштейновских конденсатах [13], образованных 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]
В 2021 году квантовая электродинамика конфокальной 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]
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.
