В лаборатории получено принципиально новое - "супертвердое" - состояние вещества
Установка с "крутильным осциллятором", использовавшимся в эксперименте. Фото Penn State University
Американские физики Мозес Чан (Moses Chan) и Юн-Сён Ким (Eun-Seong Kim) из Пенсильванского университета (Pennsylvania State University) получили принципиально новое - "супертвердое" - состояние вещества путем охлаждения гелия-4 до ультрахолодных температур. Супертвердое тело (supersolid) ведет себя подобно сверхтекучей жидкости (которая течет без сопротивления), но имеет все характеристики кристаллических веществ. По-русски можно было бы еще назвать это свойство "сверхтвердостью" (по аналогии со сверхтекучестью и сверхпроводимостью это было бы даже логичнее), однако этот термин уже широко задействован для обозначения совершенно других свойств материалов и имеет в английском свои аналоги - extra-hard, superhard.
Как известно, по своему поведению все атомы делятся на две категории - являются либо бозонами, либо фермионами в зависимости от того, чему равен спин в образованных ими квантовых модулях - нулю или целому числу или полуцелому (об этом говорит теорема Паули). Когда "бозонные" атомы (т.е. подчиняющиеся статистике Бозе-Эйнштейна - это когда в одном и том же квантовом состоянии, в противоположность фермионам, может находиться любое число частиц) вроде гелия-4 охлаждаются до температур, приближающихся к абсолютному нулю (-273°C), они должны перейти в то самое основное квантовое состояние, чтобы сформировать так называемый конденсат Бозе-Эйнштейна. "Фермионные" атомы, с другой стороны, удовлетворяют условиям принципа исключения Паули (подчиняются статистике Ферми-Дирака) и не могут формировать такой конденсат. В сверхпроводниках бозе-конденсация электронов при низких температурах позволяет электрическому току проходить без сопротивления. А начиная с 1995 года бозе-конденсация атомов наблюдалась в целом ряде ультрахолодных газов.
Надо сказать, что сам по себе твердый гелий - явление почти сверхъестественное. При очень низких температурах поведение атомов гелия диктует квантовая механика, и это не позволяет гелию замерзать, независимо от того, насколько он холоден, если только он при этом не подвергнут давлению по крайней мере в 25 атмосфер. Когда жидкий гелий-4 охлаждают до температуры приблизительно 2 кельвина, он подвергается бозе-конденсации, чтобы стать сверхтекучим. Хотя теория предсказывает, что сверхтекучесть должна также существовать и в твердом гелии-4, подобная "супертвердая" фаза до сих пор никогда не наблюдалась в эксперименте.
Чтобы получить новое небывалое состояние вещества, Чан и Ким сначала сжали газообразный гелий-4 в маленьком кварцевом диске, который как губка пронизан микроскопическими порами "атомарного" размера (этот материал называется вайкор или викор (Vycor) - высококремнеземистое стекло). Затем они поместили этот диск в капсулу "крутильного осциллятора" ("torsional oscillator") и приложили к нему давление свыше 62 атмосфер. После этого они вращали капсулу и измеряли амплитуду и фазу колебаний, температуру же при этом постепенно опускали до почти абсолютного нуля.
Ученые выяснили, что колебания капсулы внезапно возрастали, когда температура опускалась ниже приблизительно 175 милликельвинов. Но атомы гелия не просачивались из экспериментальной капсулы, ведь ее колебания возвращались к норме после того, как капсулу снова нагревали. Все это, как утверждают Ким и Чан, свидетельствует о том, что гелий-4 в этот момент "отцепился" от пор в стеклянном диске и перешел в супертвердую фазу. При таких температурах его поведением управляют законы квантовой механики. Атомы гелия начинают вести себя так, как будто они в одно и то же время являются и твердым веществом, и жидкостью. Некоторая часть атомов гелия в таком случае может начать свободно двигаться сквозь кристаллическую решетку подобно тому, как это происходит в сверхтекучей жидкости, которая перемещается вообще без трения. Такое когерентное движение, собственно, и является признаком бозе-конденсации. "В этом супертвердом состоянии отдельные атомы гелия-4 непрерывно текут - без всякого трения, - но так как все частицы находятся в одинаковом квантовом состоянии, это вещество остается твердым телом", - говорит Чан.
Чтобы проверить полученные результаты, Чан и Ким повторили свой эксперимент с атомами гелия-3, которые являются фермионами. Как и ожидалось, при уменьшении температуры (даже до 0,02 градусов выше абсолютного нуля) не было найдено никаких изменений в периодах колебаний капсулы. "Если наши результаты подтвердятся, это будет означать, что мы теперь способны наблюдать конденсацию Бозе-Эйнштейна в газах, жидкостях и твердых телах", - пишут Чан и Ким.
Источники:
Probable Discovery of a New, Supersolid, Phase of Matter - Penn State Eberly College of Science
Supersolid is seen in the lab - PhysicsWeb
Supersolid, Quantum Crystal, A Bose-Einstein Condensate in Solid - Physics News Update
Glimpse of a new type of matter - Nature News Service
Обсудить
Статьи по теме
Получен рекордный ультрахолодный "атомный снежок"
2500 атомов натрия охладили до половины миллиардной части градуса выше абсолютного нуля - температуры, при которой колебания атомов почти полностью замирают. В результате получается ни много ни мало как принципиально новое, пятое состояние вещества - так называемый конденсат Бозе - Эйнштейна.
В лаборатории получено принципиально новое - "супертвердое" - состояние вещества
Физики из Пенсильванского университета получили принципиально новое - "супертвердое" - состояние вещества путем охлаждения гелия-4 до ультрахолодных температур. Супертвердое тело ведет себя подобно сверхтекучей жидкости (которая течет без сопротивления), но имеет все характеристики кристаллических веществ. Это означает, что теперь можно наблюдать конденсацию Бозе-Эйнштейна не только в газах и жидкостях, но и в твердых телах.
Самые выдающиеся открытия 2003 года: темная энергия, пентакварки, бозе-конденсаты, квантовые компьютеры и др.
Многие западные издания выстраивают своеобразные хит-парады научных достижений уходящего 2003 года. Мы публикуем один из таких списков, составленный редакцией издания PhysicsWeb.
В "темном свете" обнаружены оптические вихри и скрытые цвета
Физики из Университета Глазго впервые наблюдали скрытые цвета, которые, как недавно было предсказано, должны существовать в "темном свете". Феномен темного света тесно связан с областями пространства, известными как "фазовые дислокации" или сингулярности, которые изучаются в рамках сингулярной оптики. Кроме всего прочего, подобные эффекты могут применяться для того, чтобы заманить в ловушку и вращать микрообъекты в своеобразном "оптическом пинцете".
Новый способ получения энергии: крошечные трубочки выжимают электричество из воды
Открыт совершенно новый способ получения электричества. Внешне все работает довольно просто: вода проталкивается через тонкие каналы - и за счет этого течет электрический ток. Ларри Костюк из канадского Университета Альберты в Эдмонтоне надеется, что мощность установки удастся со временем увеличить, и тогда текущая по трубочкам вода сможет приводить в действие сравнительно мощные портативные устройства вроде мобильных телефонов и калькуляторов.
В эксперименте впервые наблюдался обратный эффект Доплера
Существование предсказанного еще в 40-х годах прошлого века так называемого обратного доплеровского эффекта было впервые подтверждено экспериментально. Британские исследователи признают, что их результаты в какой-то мере противоречат обычному здравому смыслу, однако утверждают, что все это может найти реальное применение в медицинских источниках излучения и в телекоммуникационной технике.
Замаскированная квантовая почта может объяснить молчание внеземных цивилизаций
Если внеземные цивилизации действительно существуют и при этом не являются исключительной редкостью, то почему мы так и не смогли до сих пор получить от них никаких сигналов? Два физика объясняют эту ситуацию исключительной осторожностью инопланетян. При этом они считают, что есть возможность отправлять сигналы, не открывая своего местоположения.
Физики открыли "мятежную" субатомную частицу
На линейном ускорителе в Стэнфорде идентифицировали новую субатомную частицу Ds (2317). Эта частица представляет из себя необычный "сплав" "очарованного" кварка и "странного" антикварка. Ее масса оказалась существенно ниже, чем можно было бы ожидать. В качестве альтернативы рассматривается и такая возможность: частица могла бы быть в новом, до настоящего времени невиданном состоянии - ассоциация четырех кварков.
"Частица бога" не откроет тайну американцам
Один из ключевых вопросов современной физики высоких энергий - подтверждение или опровержение существования теоретически предсказанной еще в 1964 году экзотичной субатомной частицы, называемой бозоном Хиггса. Предполагается, что бозон Хиггса сыграл основную роль в механизме, посредством которого некоторые частицы (кварки, лептоны) во время Большого взрыва приобрели массу, а другие остались безмассовыми (фотоны).
Новый кварктет: субатомные причуды в семействе пентачастиц
Удалось обнаружить никогда прежде не виданную элементарную частицу, составленную из пяти кварков и антикварков. Случаи рождения приблизительно 40 частиц нового типа были выявлены при анализе миллионов протон-протонных столкновений на сверхмощном протонном синхротроне в CERN. Это свидетельство в пользу существования ранее теоретически предсказанного целого семейства таких частиц.
Обнаружены первые "молекулы" среди мезонов
X(3872) не сообразуется ни с одной из известных схем, описывающих структуру субатомных частиц, и теоретики теперь стоят перед непростой дилеммой: либо вносить существенные поправки в привычную и хорошо себя зарекомендовавшую Стандартную модель элементарных частиц, либо признать, что мы имеем дело с неведомым типом мезона, который содержит четыре кварка - тетракварком.
Американские физики спасли теорию Эйнштейна: информация действительно не может передаваться быстрее света
Группа американских физиков, не щадя своего времени и средств, помогла торжеству здравого смысла: они доказали, что следствие не может предшествовать своей причине. Эксперименты подтвердили, что недавнее сенсационное исследование, согласно которому свет, казалось, распространялся со скоростью, превышающей его же собственную скорость в вакууме, не противоречит основополагающему для физики понятию причинно-следственной связи.
Зубы Супермена могут служить сверхпроводником
Британские исследователи выяснили, что фосфор, элемент, как известно, содержащийся в человеческих зубах, может в принципе выступать в роли сверхпроводника. Правда человеку потребовалась бы мощь какого-нибудь Супермена, чтобы сжать свои зубы с силой, достаточной для достижения необходимого эффекта, поскольку переход в сверхпроводящее состояние произойдет лишь при давлении около 2,5 мегабар.
Новая теория шаровых молний
Джон Джилман из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе недавно предположил, что по крайней мере одно из свойств шаровой молнии - когезию (cohesion), способность удерживать частицы, составляющие оболочку светящегося шара, вместе на протяжении десятков секунд или даже минут - можно объяснить в терминах атомов Ридберга. Однако другие исследователи, занимающиеся изучением этого феномена, отнеслись к такому выводу скептически.
Физики, возможно, наблюдали магнитные монополи
Поль Дирак в 1931 году выдвинул гипотезу, согласно которой в природе должны существовать некие экзотические частицы, являющиеся переносчиками изолированных "магнитных зарядов" - магнитные монополи. Но до сих пор все попытки обнаружить в эксперименте эти неуловимые частицы были безуспешными. Однако теперь группа физиков из Японии, Китая и Швейцарии утверждает, что им все-таки удалось найти косвенное свидетельство существования таких монополей Дирака.
Мезоны устраивают "похороны" классической физике
Хорошо известные в квантовой механике неравенства Белла впервые были проверены в эксперименте с участием высокоэнергетичных частиц в лаборатории KEK в Японии. Причем именно нарушение этих знаменитых неравенств и является серьезным аргументом в пользу истинности современного понимания квантовой теории и позволяет "похоронить" так называемые "теории скрытых параметров", в определенном смысле привязанные к классической физике.
Последняя нерешенная проблема классической физики близка к решению благодаря сверхтекучему гелию
Это кажется невероятным, но теории гидродинамической турбулентности в завершенном виде не существует до сих пор, созданы только так называемые полуэмпирические теории турбулентности. Вообще это является одной из важнейших проблем современной теорфизики. Теперь сделан важный шаг в описании турбулентности в сверхтекучем гелии-3, что может помочь, наконец, в решении проблемы турбулентности и в классических жидкостях.
Super-WIMPs: темная материя может оказаться необнаружимой в принципе
90 % всей материи Вселенной не просто скрывается в виде "не испускающего свет" вещества, а содержится в форме частиц, названных super-WIMPs (сверхслабо- взаимодействующие массивные частицы), перед которыми, в отличие от "просто" WIMPs, совершенно бессильны все известные способы обнаружения темного вещества.
Уфимским ученым за электропроводящие полимеры сулят "нобелевку"
Сенсационное открытие сделали башкирские ученые. Оно совершит переворот в мире физики. Сотрудники уфимского Института физики молекул и кристаллов заставили бежать электрический ток по полимерам. До сих пор ни одному научному институту мира такого не удавалось. По всей видимости, еще большее значение подобное открытие будет иметь для грядущей эры нанотехнологий.
Силу, возникающую из пустоты, приспособят к чему-нибудь путному
Генрих Казимир еще в 1948 году предложил эксперимент, который мог бы подтвердить квантовую теорию физического вакуума (то, что вакуум на самом деле не пуст, а заполнен то и дело виртуально возникающими и исчезающими парами частиц и античастиц). Теперь американские исследователи сумели проверить этот эффект с точностью до 0,5 %. Выяснилось, что эффект Казимира действительно должен серьезно влиять на наноразмерные устройства.
Новости по теме
