| Физика конденсированного состояния |
|---|
 |
| Фазы · Фазовый переход · QCP |
В физике конденсированной сред , супертело является пространственно упорядоченным материалом с сверхтекучими свойствами. В случае гелия-4 с 1960-х гг. Высказывались предположения о возможности создания сверхтвердого тела. [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 появления сверхтвердости в определенном веществе, являются предметом текущих исследований.
Фон [ править ]
Супертвердое тело - это особое квантовое состояние вещества, в котором частицы образуют жесткую, пространственно упорядоченную структуру, но также текут с нулевой вязкостью . Это противоречит интуиции, что течение, и в частности сверхтекучий поток с нулевой вязкостью, является свойством исключительно для 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 сверхтвердое состояние существовать. [3]
Эксперименты с гелием [ править ]
Хотя несколько экспериментов дали отрицательные результаты, в 1980-х годах Джон Гудкинд с помощью ультразвука обнаружил первую аномалию в твердом теле . [4] Вдохновленные его наблюдением, в 2004 году Ын-Сон Ким и Моисей Чан из Университета штата Пенсильвания увидели феномены, которые были интерпретированы как сверхтвердое поведение. [5] В частности, они наблюдали неклассический вращательный момент инерции [6] крутильного осциллятора. Это наблюдение не могло быть объяснено классическими моделями, но соответствовало сверхтекучему поведению небольшого процента атомов гелия, содержащихся внутри осциллятора.
Это наблюдение вызвало большое количество последующих исследований, чтобы выявить роль кристаллических дефектов или примесей гелия-3. Однако дальнейшие эксперименты поставили под сомнение существование настоящего сверхтвердого тела в гелии. Самое главное, было показано, что наблюдаемые явления во многом объясняются изменениями упругих свойств гелия. [7] В 2012 году Чан повторил свои первоначальные эксперименты с новым прибором, который был разработан, чтобы исключить любой такой вклад. В этом эксперименте Чан и его соавторы не обнаружили никаких доказательств сверхтвердости. [8]
Эксперименты с ультрахолодными квантовыми газами [ править ]
В 2017 году две исследовательские группы из ETH Zurich и MIT сообщили о создании ультрахолодного квантового газа со свойствами супертвердого тела. Группа из Цюриха поместила конденсат Бозе-Эйнштейна внутри двух оптических резонаторов, которые усилили атомные взаимодействия, пока они не начали спонтанно кристаллизоваться и образовывать твердое тело, которое поддерживает сверхтекучесть, присущую конденсатам Бозе-Эйнштейна. [9] [10]Этот параметр реализует особую форму супертвердого тела, так называемого решеточного суперсолида, в котором атомы прикреплены к узлам внешней структуры решетки. Группа MIT экспонировала конденсат Бозе-Эйнштейна в двухъямном потенциале световым пучкам, которые создали эффективное спин-орбитальное взаимодействие. Интерференция между атомами на двух спин-орбитальных связанных узлах решетки вызывает характерную модуляцию плотности. [11] [12]
В 2019 г. три группы из Штутгарта, Флоренции и Инсбрука наблюдали сверхтвердые свойства в диполярных конденсатах Бозе – Эйнштейна [13], образованных из атомов лантаноидов . В этих системах сверхтвердость возникает непосредственно в результате взаимодействия атомов без необходимости во внешней оптической решетке. Это облегчило также прямое наблюдение сверхтекучего течения и, следовательно, окончательное доказательство существования сверхтвердого состояния вещества. [14] [15]
Теория [ править ]
В большинстве теорий этого состояния предполагается, что вакансии - пустые места, обычно занятые частицами в идеальном кристалле, - приводят к сверхтвердости. Эти вакансии вызваны нулевой энергией , которая также заставляет их перемещаться с места на место в виде волн . Потому что вакансии - это бозоны, если такие облака вакансий могут существовать при очень низких температурах, то бозе-эйнштейновская конденсация вакансий могла бы происходить при температурах менее нескольких десятых градуса 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 меньше одной частицы на каждом узле решетки. В качестве альтернативы супертвердое тело также может образоваться из сверхтекучей жидкости. В этой ситуации, которая реализуется в экспериментах с атомными конденсатами Бозе – Эйнштейна, пространственно упорядоченная структура является модуляцией поверх распределения сверхтекучей плотности.
См. Также [ править ]
- Сверхтекучая пленка
- Superglass
Ссылки [ править ]
- ^ Честер, GV (1970). «Размышления о конденсации Бозе – Эйнштейна и квантовых кристаллах». Physical Review . 2 (1): 256–258. Bibcode : 1970PhRvA ... 2..256C . DOI : 10.1103 / PhysRevA.2.256 .
- ^ Доннер, Тобиас (2019-04-03). «Точка зрения: диполярные квантовые газы становятся сверхтвердыми» . Физика . 12 . DOI : 10.1103 / Physics.12.38 .
- ^ Балибар, Sebastien (март 2010). «Загадка сверхтвердости». Природа . 464 (7286): 176–182. Bibcode : 2010Natur.464..176B . DOI : 10,1038 / природа08913 . ISSN 1476-4687 . PMID 20220834 . S2CID 4303097 .
- ^ Чалмерс, Мэтью (2007-05-01). «Квантовое твердое тело, которое бросает вызов ожиданиям» . Мир физики . Проверено 25 февраля 2009 .
- ^ Kim, E .; Чан, MHW (2004). «Вероятное наблюдение сверхтвердой гелиевой фазы». Природа . 427 (6971): 225–227. Bibcode : 2004Natur.427..225K . DOI : 10,1038 / природа02220 . PMID 14724632 . S2CID 3112651 .
- ^ Leggett, AJ (1970-11-30). "Может ли твердое тело быть" сверхтекучим "?" . Письма с физическим обзором . 25 (22): 1543–1546. Bibcode : 1970PhRvL..25.1543L . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.25.1543 . S2CID 122591300 .
- ^ День, Джеймс; Бимиш, Джон (декабрь 2007 г.). «Низкотемпературные изменения модуля сдвига в твердом 4 He и связь со сверхтвердостью». Природа . 450 (7171): 853–856. arXiv : 0709.4666 . Bibcode : 2007Natur.450..853D . DOI : 10,1038 / природа06383 . ISSN 1476-4687 . PMID 18064007 . S2CID 4411989 .
- ^ Восс, Дэвид (2012-10-08). «Фокус: Новые эксперименты Supersolid Discoverer не показывают Supersolid». Физика . 5 : 111. Bibcode : 2012PhyOJ ... 5..111V . DOI : 10.1103 / Physics.5.111 .
- ^ Würsten, Феликс (1 марта 2017). «Кристаллический и жидкий одновременно» . ETH Zurich . Проверено 18 января 2018 .
- ^ Леонар, Джулиан; Моралес, Андреа; Зупанчич, Филипп; Эсслингер, Тилман; Доннер, Тобиас (1 марта 2017 г.). «Сверхтвердое образование в квантовом газе, нарушающее непрерывную трансляционную симметрию». Природа . 543 (7643): 87–90. arXiv : 1609.09053 . Bibcode : 2017Natur.543 ... 87L . DOI : 10,1038 / природа21067 . PMID 28252072 . S2CID 4459567 .
- Перейти ↑ Keller, Julia C. (2 марта 2017 г.). «Исследователи Массачусетского технологического института создают новую форму материи» . MIT News . Проверено 18 января 2018 .
- ^ Ли, Джун-Ру; Ли, Чонвон; Хуанг, Вуцзе; Бурчески, Шон; Штейнас, Борис; Топ, Фуркан Чагры; Джеймисон, Алан О .; Кеттерле, Вольфганг (1 марта 2017 г.). «Полосовая фаза со свойствами суперсолида в спин-орбитально-связанных конденсатах Бозе – Эйнштейна». Природа . 543 (7643): 91–94. arXiv : 1610.08194 . Bibcode : 2017Natur.543 ... 91L . DOI : 10,1038 / природа21431 . PMID 28252062 . S2CID 4463520 .
- ↑ Доннер, Тобиас (3 апреля 2019 г.). «Точка зрения: диполярные квантовые газы становятся сверхтвердыми» . APS Physics . Проверено 19 апреля 2019 .
- ^ Го, Минъян; Бёттчер, Фабиан; Херткорн, Йенс; Шмидт, Ян-Никлас; Венцель, Маттиас; Бюхлер, Ханс Петер; Ланген, Тим; Пфау, Тильман (октябрь 2019 г.). «Низкоэнергетическая мода Голдстоуна в захваченном диполярном сверхтвердом теле». Природа . 574 (7778): 386–389. arXiv : 1906.04633 . Bibcode : 2019Natur.574..386G . DOI : 10.1038 / s41586-019-1569-5 . ISSN 1476-4687 . PMID 31499511 . S2CID 184488202 .
- ^ Tanzi, L .; Рокуццо, С. М.; Lucioni, E .; Famà, F .; Fioretti, A .; Габбанини, С .; Modugno, G .; Рекати, А .; Стрингари, С. (октябрь 2019 г.). «Нарушение симметрии сверхтвердого тела из-за колебаний сжатия в дипольном квантовом газе». Природа . 574 (7778): 382–385. arXiv : 1906.02791 . Bibcode : 2019Natur.574..382T . DOI : 10.1038 / s41586-019-1568-6 . ISSN 1476-4687 . PMID 31499510 . S2CID 174801325 .
Внешние ссылки [ править ]
- История природы о супертвердом эксперименте
- Penn State: Что такое Supersolid?
- «Сверхтвердое поведение, обнаруженное в диполярных квантовых газах» . Мир физики . 20 апреля 2019.
