Квантовые вихри в сверхтвердых телах демонстрируют состояние нейтронных звезд
Команда физиков из Инсбрукского университета продемонстрировала квантовые вихри в веществе, находящемся в сверхтвердом состоянии. Ученые считают, что это позволяет моделировать состояния вещества внутри нейтронных звезд. Работа опубликована в журнале Nature.
«Это похоже на кота Шредингера, который одновременно жив и мертв, а супертвердое вещество одновременно и твердое и жидкое», — объясняет соавтор работы Франческа Ферлайно.
В то время как кристаллическая структура сверхтвердых веществ была продемонстрировала, показать их сверхтекучесть оказалось гораздо трудней.
Прямые доказательства одной из определяющих особенностей сверхтекучести у сверхтвердого вещества — наличие квантовых вихрей — наблюдать не удавалось. Теперь ученые «увидели» квантовые вихри во вращающемся двумерном сверхтвердом теле, что дает долгожданное подтверждение «невозможных» свойств вещества в сверхтвердого состояния.
Квантовый вихрь
В новом исследовании ученые объединили теоретические модели с передовыми экспериментами, чтобы создать и наблюдать вихри в дипольных сверхтвердых телах. Это оказалось чрезвычайно сложной задачей. Ранее, в 2021 году, команда из Инсбрука впервые получила долгоживущее двумерное сверхтвердое состояние в ультрахолодном газе атомов эрбия.
«Следующий шаг — разработка способа перемешивания сверхтвердого вещества без разрушения его хрупкого состояния — требовал еще большей точности», — объясняет соавтор работы Ева Казотти.
Используя высокоточные методы, исследователи применили магнитные поля, чтобы осторожно раскручивать супертвердое вещество. Такое раскручивание в конченом счете и привело к образованию квантовых вихрей, которые являются гидродинамическим признаком сверхтекучести.
«Эта работа — значительный шаг вперед в понимании уникального поведения сверхтвердых тел и их потенциального применения в области квантовой материи», — говорит Франческа Ферлайно.
Новая физика нейтронных звезд
Последствия этого открытия выходят далеко за пределы одного эксперимента. Оно может повлиять на различные области, от физики конденсированных сред до астрофизики, где подобные сверхтвердые состояния могут возникать в экстремальных условиях.
«Наши результаты открывают путь к изучению гидродинамических свойств экзотических квантовых систем с несколькими нарушенными симметриями, таких как квантовые кристаллы и даже нейтронные звезды», — говорит соавтор работы Томас Бланд, руководивший теоретической разработкой проекта. — «Например, предполагается, что изменение скорости вращения, наблюдаемое в нейтронных звездах вызвано именно сверхтекучими квантованными вихрями, запертыми внутри нейтронных звезд. Наша платформа позволяет моделировать подобные явления прямо здесь, на Земле».