Super solidny

W fizyce materii skondensowanej supersolid to uporządkowany przestrzennie materiał o właściwościach nadciekłych . W przypadku helu-4 od lat 60. XX wieku przypuszczano, że możliwe jest stworzenie supersolidu. Począwszy od 2017 roku, ostatecznych dowodów na istnienie tego stanu dostarczyło kilka eksperymentów z użyciem atomowych kondensatów Bosego-Einsteina . Ogólne warunki wymagane do pojawienia się supersolidności w określonej substancji są przedmiotem ciągłych badań.

Tło

Supersolid to szczególny kwantowy stan materii, w którym cząstki tworzą sztywną, uporządkowaną przestrzennie strukturę, ale jednocześnie płyną z zerową lepkością . Jest to sprzeczne z intuicją, że przepływ, a w szczególności nadciekły o zerowej lepkości, jest właściwością wyłącznie stanu płynnego , np. nadprzewodzących płynów elektronowych i neutronowych, gazów z kondensatami Bosego-Einsteina czy niekonwencjonalnych cieczy, takich jak hel- 4 lub hel-3 w dostatecznie niskiej temperaturze. Przez ponad 50 lat nie było zatem jasne, czy stan superstały może istnieć.

Eksperymenty z użyciem helu

Chociaż kilka eksperymentów przyniosło negatywne wyniki, w latach 80. John Goodkind odkrył pierwszą anomalię w ciele stałym za pomocą ultradźwięków . Zainspirowani jego obserwacjami, w 2004 roku Eun-Seong Kim i Moses Chan z Pennsylvania State University zaobserwowali zjawiska, które zostały zinterpretowane jako supersolidne zachowanie. W szczególności zaobserwowali nieklasyczny obrotowy moment bezwładności oscylatora skrętnego. Tej obserwacji nie można było wytłumaczyć klasycznymi modelami, ale była zgodna z zachowaniem nadciekłym niewielkiego procenta atomów helu zawartych w oscylatorze.

Ta obserwacja zapoczątkowała wiele dalszych badań w celu ujawnienia roli, jaką odgrywają defekty kryształów lub zanieczyszczenia helem-3. Dalsze eksperymenty podały w wątpliwość istnienie prawdziwej superstałej substancji w helu. Co najważniejsze, wykazano, że obserwowane zjawiska można w dużym stopniu wyjaśnić zmianami właściwości sprężystych helu. W 2012 roku Chan powtórzył swoje oryginalne eksperymenty z nowym aparatem, który został zaprojektowany w celu wyeliminowania takiego wkładu. W tym eksperymencie Chan i jego współautorzy nie znaleźli żadnych dowodów na supersolidność.

Eksperymenty z użyciem ultrazimnych gazów kwantowych

W 2017 roku dwie grupy badawcze z ETH Zurich i MIT poinformowały o stworzeniu ultrazimnego gazu kwantowego o właściwościach superstałych. Grupa z Zurychu umieściła kondensat Bosego-Einsteina wewnątrz dwóch rezonatorów optycznych, które wzmocniły interakcje atomowe, aż zaczęły spontanicznie krystalizować i tworzyć ciało stałe, które zachowuje naturalną nadciekłość kondensatów Bosego-Einsteina. To ustawienie realizuje specjalną postać supersolidu, tzw. supersolidu sieciowego, w którym atomy są przypięte do miejsc narzuconej zewnętrznie struktury sieciowej. Grupa MIT wystawiła kondensat Bosego-Einsteina w potencjale podwójnej studni na wiązki światła, które stworzyły skuteczne sprzężenie spinowo-orbitalne. Interferencja między atomami w dwóch miejscach sieci sprzężonych ze spinem-orbitą doprowadziła do charakterystycznej modulacji gęstości.

W 2019 roku trzy grupy ze Stuttgartu, Florencji i Innsbrucku zaobserwowały właściwości superstałe w dipolarnych kondensatach Bosego-Einsteina utworzonych z atomów lantanowców . W tych systemach nadsolidność powstaje bezpośrednio z interakcji atomowych, bez potrzeby stosowania zewnętrznej sieci optycznej. Ułatwiło to również bezpośrednią obserwację przepływu nadciekłego, a tym samym ostateczny dowód na istnienie superstałego stanu materii.

W 2021 roku dysproz został użyty do stworzenia dwuwymiarowego superstałego gazu kwantowego. W 2022 roku ten sam zespół stworzył supersolidny dysk w okrągłej pułapce.

W 2021 roku elektrodynamika kwantowa wnęki konfokalnej z kondensatem Bosego-Einsteina została wykorzystana do stworzenia supersolidu, który posiada kluczową właściwość ciał stałych, wibracje. Oznacza to, że stworzono supersolid, który posiada fonony sieciowe z dyspersją w trybie Goldstone'a wykazującą prędkość dźwięku 16 cm/s.

Teoria

W większości teorii tego stanu przyjmuje się, że wakaty – puste miejsca normalnie zajmowane przez cząstki w idealnym krysztale – prowadzą do supersolidności. Te wolne miejsca są spowodowane energią punktu zerowego , co powoduje również, że przemieszczają się z miejsca na miejsce jako fale . Ponieważ wakaty są bozonami , jeśli takie chmury wakatów mogą istnieć w bardzo niskich temperaturach, to kondensacja wakatów Bosego-Einsteina może wystąpić w temperaturach mniejszych niż kilka dziesiątych kelwina. Spójny przepływ wakatów jest równoważny „superprzepływowi” (przepływowi bez tarcia) cząstek w przeciwnym kierunku. Pomimo obecności gazu wolnych miejsc, uporządkowana struktura kryształu jest zachowana, chociaż średnio mniej niż jedna cząstka w każdym miejscu sieci. Alternatywnie supersolid może również wyłonić się z nadciekłości. W tej sytuacji, która jest realizowana w eksperymentach z atomowymi kondensatami Bosego-Einsteina, uporządkowana przestrzennie struktura jest modulacją nad rozkładem gęstości cieczy w stanie nadciekłym.

Zobacz też

• Film nadpłynny
• Superszkło

Linki zewnętrzne

• natury w eksperymencie supersolidnym
• APS Physics Magazine na temat wibrującego eksperymentu z superciałem stałym
• Penn State: Co to jest Supersolid?
• „Zachowanie superstałe zauważone w dipolarnych gazach kwantowych” . Świat Fizyki . 20 kwietnia 2019 r.