Наукпоп

21 серпня 2021, 07:03

NV Преміум

Фізики створили одночасно надтверду і надплинну матерію, яку передбачили понад 50 років тому. Як це взагалі можливо?

Вчені Інсбрукського університету імені Леопольда і Франца вперше створили двовимірне надтверде тіло. Цей незвичайний стан матерії було передбачено в 1969 році, але досі нікому не вдавалося втілити теорію на практиці.

Ще зі шкільних уроків фізики ми знаємо про три стани матерії — твердий, рідкий і газоподібний. Якщо у вас був хороший учитель, ви могли чути ще й про плазмовий стан, який досягається за допомогою нагрівання газу. Однак квантова фізика працює трохи інакше і допускає, що тіло може мати властивості як рідин, так і твердих тіл одночасно — їх називають надтвердими. Такий стан цікавий тим, що частинки надтвердої речовини розташовані в жорсткій твердій структурі, однак при цьому вони можуть текти без будь-якого опору.

Існування таких тіл не могли довести понад півстоліття — лише в 2017 році вчені зуміли отримати перші зразки цієї форми матерії. Однак дотепер надтверді стани досягалися тільки в одновимірному просторі — тобто, у вигляді «листа» або ланцюжка крапель.

Передплатіть, щоб прочитати повністю

Нам необхідна ваша підтримка, щоб займатися якісною журналістикою

Передплатити
Перший місяць 1 ₴. Відмовитися від передплати можна у будь-який момент

Довго вчені вважали, що подібний стан можна буде вловити в надплинному гелії — ще одному незвичайному стані речовини, який виявили в 1938 році. Якщо остудити рідкий гелій до температури, близької до абсолютного нуля (-273,15 °C), то він може протікати через найвужчі щілини без будь-якого тертя і опору. Фактично, якщо ви захочете помішати таку рідину, то вона кружлятиме нескінченно, адже стінки склянки не зможуть сповільнити її. Ба більше, стінки склянки в принципі навряд чи змогли б стримати надплинний гелій, який просто «розлився» б крізь них.

Вчені вважали, що саме в цій речовині можна буде виявити надтвердість — тобто, укласти надплинну матерію в тверду оболонку. Однак втілити ідею на практиці не виходило ні з рідким гелієм, ні з воднем або рубідієм, які також можуть досягати надплинності.

Рішення знайшли фахівці Інсбрукського університету імені Леопольда і Франца. Про їхню роботу докладно можна прочитати в журналі Nature. Вчені зуміли сформувати кристал, всередині якого існує надплинна рідина, використавши для цього рідкоземельний метал диспрозій. Вчені вибудували його атоми в плоский лист і охолодили до майже абсолютного нуля — мінус 237 °C, створивши конденсат Бозе-Ейнштейна.

Атоми охолоджуються до майже абсолютного нуля і перетворюються на квантову рідину

Через відсутність енергії атоми перестають рухатися і «розмиваються» так, що їхні межі розширюються до меж самого листа. Таким чином, лист диспрозію фактично перетворився в одну велику квантову рідину, укладену в кристал, а місце розташування атомів стало максимально невизначеним. Фактично, кожен атом диспрозію містився у всіх краплях рідини одночасно, формуючи надтверде і надплинне тіло.

Навіть більше, вченим вдалося розширити цей стан з одновимірного у двовимірний простір, створивши системи з двома або більше рядами крапель. Дослідники зазначають, що це істотно розширює перспективи для майбутніх вивчень подібних ефектів.

Поки що складно сказати, що цей новий стан матерії означає для нас. Через те, що він може існувати тільки за надзвичайно низьких температур, дуже сильно обмежує його потенційне використання. Ба більше, вчені не впевнені, що зможуть створити надтверде тіло більшого розміру, оскільки стан речовини дуже чутливий до створеної ними магнітної пастки. Однак сам факт створення двовимірного надтвердого тіла є великим досягненням для фізиків і відкриває їм ворота в новий світ незвичайного стану матерії і квантових сил, які визначають реальність, в якій ми живемо.

Другие новости

Всі новини