By Щоб розтопити тверде тіло, його потрібно нагріти. Аби затвердла рідина, її треба охолодити. Це просто, але так буває не завжди. Бо квантова механіка здатна перевернути з ніг на голову навіть інтуїтивну логіку танення і замерзання — пише Елісон Катц у журналі Scientific American.
Нещодавно фізики продемонстрували у Nature Communications, як нагрівання квантової рідини (у цьому випадку — дуже холодного газу магнітних атомів) може насправді “заморозити” її до більш впорядкованої форми, званої супертвердим станом. Таку несподівану поведінку зауважили вперше у 2021 році, але досі науковці не могли її пояснити.
“У статті вдалося представити новий теоретичний опис, який зараз успішно пояснює експериментальні спостереження, що раніше не були зрозумілі”, — каже фізик Тім Ланген зі Штутгартського університету, який не брав участі в нових дослідженнях.
Квантові частинки, що мають як корпускулярну, так і хвильову природу, можна собі уявити як хмаринки імовірності. Шанси знайти частинку в будь-якій точці хмари в цей момент пов’язані з хвильовою поведінкою частинки. Її описує формула, звана хвильовою функцією. У квантовій рідині частинки співдіють так тісно, що утворюють щось на кшталт цілості, колективну поведінку якої визначає окрема хвильова функція. Зазвичай це водночас і “надрідини”, плин яких відбувається без тертя.
Супертверді тіла виявляють схожі властивості, але, окрім того, мають структуру регулярних піків, каже співавторка дослідження Франческа Ферлайно, фізичка-експериментаторка з Інсбруцького університету й Інституту квантової оптики та квантової інформації, що в Австрії. У 2021 році Ферлайно і її колектив виявили, що нагрівання ультрахолодної квантової рідини магнітних атомів диспрозію, рідкісноземельного елемента, призвело до її затвердіння у формі характерних піків супертвердого тіла. Однак, отримавши такий несподіваний результат, “ми мусили переконатися, що це є чимось, що теоретично має сенс”, каже співавтор праці Томас Поль з Орхуського університету, що в Данії.
Група дослідників зараз демонструє, що ця поведінка, яка суперечить логіці, випливає із незвичної синергії поміж тепловою енергією і природною тенденцією магнітних атомів до скупчення.
На рівні атомів температура є кінетичною енергією хаотичних рухів часток. Отже, нагрівання тіла є чимось на кшталт струшування ним, впровадженням випадкових термічних коливань, які в цьому випадку вибивають атоми зі стабільного стану квантової рідини. Оскільки вони мають магнітний момент, то ті відкинуті частинки сильно співдіють із квантовою рідиною і підвищують природну схильність атомів диспрозію до накопичення. Їхній вплив змінює хвильову функцію всієї квантової рідини й спричиняє її перехід до супертвердого стану з регулярно розташованими піками.
“Якщо це надто дивно й суперечить інтуїції, то це саме те, що я, як фізик, люблю відкривати, — говорить співавтор праці Хуан Санчес-Баена з Політехнічного університету Каталонії та Орхуського університету. — Якщо знаходити лише ті речі, на які очікував, стає надто нудно”.
