Представьте себе неповрежденный алмаз, внутренности которого движутся без трения, или сформированный кубик льда, плотно упакованное содержимое которого течет без усилий. Это может показаться странным или даже невозможным. Но для физиков они не так уж далеки от того, что они недавно создали: странное состояние материи, называемое сверхтвердым.
В течение последних нескольких лет ученые создавали супертвердые вещества в лабораторных условиях в очень крошечных масштабах. Теперь группа физиков создала самый сложный супертвердый материал, который существует в двух измерениях, как лист бумаги.
"Это всегда было своего рода выдающейся целью - перенести [супертвердые вещества] в два измерения", - говорит Мэтью Норсиа, физик из Университета Инсбрука в Австрии и ведущий автор статьи в Nature.
Что же представляет собой супертвердое вещество? В своей основе он содержит свойства двух различных состояний материи, одного обыденного и другого довольно эзотерического.
Первое из этих состояний - твердое тело, которое является одной из самых обыденных форм материи. Есть шанс, что вы прикасаетесь к нему в этот самый момент. Важно отметить, что для физиков твердое тело интересно тем, что атомы внутри него удерживаются в жесткой структуре. Именно поэтому вы обычно не видите твердых объектов, текущих, как вода.
Но второе - это состояние материи, с которым вы, вероятно, встречались несколько реже: сверхтекучая жидкость. Причуда квантовой механики, сверхтекучая жидкость - это вещество, которое ведет себя как жидкость с нулевой вязкостью. Ученые наблюдали сверхтекучие вещества, охлаждая гелий до температуры, едва превышающей абсолютный ноль. Они могут и будут легко ползать по стенам или скользить по поверхностям.
Сверхтвердое тело объединяет в себе и твердое тело, и сверхтекучую жидкость: твердое тело, которое течет как жидкость без трения и сопротивления. Если это звучит странно, то все это совершенно естественно. Это просто продукт квантовой механики, своеобразной физики, которая управляет космосом в самых малых масштабах.
"Чтобы представить себе сверхтвердое тело, возьмем кубик льда, погруженный в жидкую воду, с потоком воды через кубик без трения", - написал Бруно Лабрут-Тольра, физик из Северного университета Сорбонны Париж во Франции.
Это не совсем новая идея; физики предлагают ее с 1960-х годов. Но в течение многих десятилетий было неясно, можно ли создать сверхтвердое вещество на Земле. Только в 2010-х годах ученые начали добиваться конкретных успехов в создании сверхтвердого вещества в лаборатории.
Сначала ученые пытались искать сверхтвердые вещества в переохлажденном гелии. Сверхтекучие вещества возникают в гелии, атомные свойства которого делают его идеальным, поэтому казалось логичным, что в нем тоже можно найти сверхтвердые вещества. Но эти усилия пока не принесли плодов.
В конце десятилетия физики обратились к другим элементам, таким как рубидий и лантан. Если поймать в ловушку небольшое количество газообразных атомов и охладить их до долей градуса выше абсолютного нуля (самая низкая из возможных температур, около -460 градусов по Фаренгейту), они конденсируются, образуя целый набор квантовых странностей. Это называется конденсатом Бозе-Эйнштейна.
Итак, чтобы создать сверхтвердое тело, нужно сначала поймать несколько атомов в ловушку, затем охладить их, а затем поиграть с их взаимодействием. "Если правильно настроить эти взаимодействия и правильно настроить форму ловушки, то можно получить сверхтвердое тело", - говорит Норсиа, ведущий автор работы.
Используя этот метод, в 2019 году исследователи начали создавать базовый, одномерный суперсолид: по сути, тонкую суперсолидную трубку по прямой линии.
Именно этим Норсиа и его коллеги из Университета Инсбрука и Австрийской академии наук занялись сейчас. Изменив устройство, которое они использовали для улавливания атомов, и процесс, который они использовали для конденсации атомов, они смогли расширить свой сверхтвердый материал из одного измерения в два: из крошечной трубки в маленький лист.
"Эта демонстрация является ключевым достижением, поскольку один из прямых способов доказать, что система обладает сверхтекучестью", - пишет Лабруте-Толра.
Теперь, когда исследователи создали сверхтвердое тело в двух измерениях, могут ли они создать такое же в трех измерениях? Смогут ли они создать настоящий супертвердый материал, который можно потрогать?
По словам Норсиа, вероятно, это произойдет не скоро, хотя он говорит, что этот вопрос приходил в голову физикам. В настоящее время он не уверен, как они смогут сделать это с помощью имеющейся у них технологии.
Вместо этого исследователи пока хотят изучить созданное ими сверхтвердое вещество. Несмотря на то, что они успешно создали сверхтвердое вещество, физики по-прежнему знают о нем очень мало.
Ставьте палец вверх, чтобы видеть в своей ленте больше статей об интересных вещах!
И не забудьте подписаться!
