Mokslininkai sukūrė neįprastos būsenos medžiagą

Kas nutiktų, jeigu medžiaga vienu metu elgtųsi kaip kristalas ir kaip skystis? Iš pirmo žvilgsnio toks derinys atrodo neįmanomas: kristalas turi tvarkingą, pasikartojančią struktūrą, o skystis laisvai teka ir prisitaiko prie indo formos. Vis dėlto kvantiniame pasaulyje taisyklės gerokai lankstesnės. Laboratorijose, kur temperatūra priartinama prie absoliutaus nulio, mokslininkai stebi reiškinius, kurie kasdienėje aplinkoje atrodytų tarsi iš fantastinio filmo.

Kai kristalas pradeda tekėti

Tyrėjams pavyko sukurti vadinamąją superskystąją būseną su tvarkinga, kristalą primenančia struktūra. Fizikoje ji dažnai vadinama supersolidu – medžiaga, turinčia dviejų skirtingų būsenų požymių.

Viena vertus, tokioje sistemoje dalelės išsidėsto ne atsitiktinai, o sudaro pasikartojantį tankio raštą. Tai primena įprastą kristalą, kur atomai išsirikiuoja tvarkingomis gardelėmis. Kita vertus, visa sistema pasižymi superskystumu: dalelės juda kolektyviai, o tekėjimas gali vykti be įprasto pasipriešinimo.

Svarbu tai, kad kalbama ne apie naują cheminį elementą ar įprastomis sąlygomis pagamintą kietą medžiagą. Ši būsena egzistuoja tik labai specifinėje kvantinėje sistemoje. Tam mokslininkai naudoja itin atšaldytus atomus, dažniausiai tokius, kurie turi stiprią magnetinę sąveiką, pavyzdžiui, disprozio ar erbio atomus.

Kaip laboratorijoje sukuriama tokia būsena

Eksperimentas prasideda nuo atomų atšaldymo iki temperatūros, vos keliomis milijardinėmis laipsnio dalimis virš absoliutaus nulio. Tokiomis sąlygomis įprastas atomų judėjimas beveik sustoja, o kvantinės savybės tampa matomos didesniu mastu.

Atomai sulaikomi specialiais lazeriais ir magnetiniais laukais. Vėliau tyrėjai tiksliai keičia sistemos parametrus: magnetinio lauko stiprumą, dalelių tankį ir sąveiką tarp atomų. Jeigu sąlygos parenkamos tinkamai, atomai ne tik susitelkia į atskirus tankesnius telkinius, bet ir išlieka susieti į bendrą kvantinę būseną.

Šie mikroskopiniai telkiniai išsidėsto tam tikru atstumu vienas nuo kito, todėl susidaro pasikartojantis raštas. Tačiau jie nėra atskiri, nepriklausomi „lašai“. Tarp jų išlieka kvantinis ryšys, leidžiantis sistemai elgtis kaip vienai visumai.

Būtent šis derinys ir yra didžiausias eksperimento iššūkis. Įprasta medžiaga, sudaryta iš atskirų kristalinių struktūrų, nėra superskysta. O superskystis paprastai neturi aiškios, pasikartojančios vidinės tvarkos. Tyrėjams reikia išlaikyti abu požymius vienu metu ir įrodyti, kad jie kyla ne dėl atsitiktinių svyravimų.

Įrodymų ieškoma ne vienu matavimu

Vien stebėti atomų debesėlį nepakanka. Mokslininkai turi patikrinti, ar susiformavusi būsena iš tiesų yra supersolidinė, todėl analizuoja kelis skirtingus požymius.

Pirmiausia tiriamas medžiagos tankio pasiskirstymas. Jei sistema primena kristalą, joje turėtų būti matomas reguliarus tankesnių ir retesnių sričių pasikartojimas. Tam naudojami aukštos raiškos vaizdai, daromi išjungus sulaikančius laukus ir leidus atomams trumpai išsiskleisti.

Kitas svarbus požymis – fazinis ryšys. Superskystyje atskiros dalelės nėra vien tik nepriklausomų objektų rinkinys. Jų kvantinės bangos suderintos, todėl visa sistema gali judėti koordinuotai. Tyrėjai tai vertina stebėdami interferencijos raštus ir sistemos reakciją į kontroliuojamus trikdžius.

Taip pat tikrinama, ar medžiaga geba tekėti be įprasto klampumo. Praktikoje tai reiškia, kad sistema gali suktis arba keisti savo judėjimo būseną ne taip, kaip įprastas skystis. Tokie matavimai sudėtingi, nes bet koks išorinis poveikis – net menkiausias temperatūros svyravimas ar magnetinio lauko pokytis – gali suardyti trapią būseną.

Kodėl šis atradimas svarbus

Supersolidas nėra medžiaga, kurią artimiausiu metu būtų galima panaudoti statybose, elektronikoje ar buityje. Ji egzistuoja ekstremaliomis laboratorinėmis sąlygomis, todėl tiesioginė praktinė nauda kol kas nėra akivaizdi. Vis dėlto tokie eksperimentai leidžia geriau suprasti, kaip iš daugybės dalelių susiformuoja kolektyvinės kvantinės būsenos.

Tai ypač svarbu tiriant reiškinius, susijusius su superlaidumu, neutroninėmis žvaigždėmis ir itin tankia medžiaga. Laboratorinė atomų sistema veikia kaip savotiškas supaprastintas modelis: mokslininkai gali kontroliuoti jos temperatūrą, tankį ir sąveikas, o tada stebėti procesus, kurių tiesiogiai neįmanoma ištirti kosminiuose ar branduoliniuose objektuose.

Tokie tyrimai taip pat padeda tikslinti kvantinės mechanikos teorijas. Iki šiol dalis numatytų būsenų buvo nagrinėjamos daugiausia teoriškai, tačiau eksperimentinis jų sukūrimas leidžia patikrinti, ar skaičiavimai atitinka tikrovę. Kiekvienas naujas patvirtintas režimas praplečia supratimą apie tai, kokiomis formomis gali egzistuoti medžiaga.

Ši būsena išlieka trapi ir trumpalaikė, tačiau jos sukūrimas rodo, kiek daug dar slepia kvantinis pasaulis. Medžiaga, kuri mums įprastai turi būti arba kieta, arba skysta, mikroskopiniame lygmenyje gali nepaisyti tokio paprasto pasirinkimo – ir būtent šis netikėtas derinys dabar tampa vienu įdomiausių fizikos tyrimų objektų.