Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Заттың күйі
State of matter
Конденсацияланған материя физикасында, суперсұйық кристал – бұл кеңістікте реттелген және суперсұйықтық қасиеттеріне ие материал. Гелий-4 жағдайында 1960 жылдардан бері мұндай суперсұйық кристал жасау мүмкін деген болжам бар. 2017 жылдан бастап, атомдық Бозе-Эйнштейн конденсатын қолданған бірнеше тәжірибе осы күйдің бар екенін нақты дәлелдеді. Белгілі бір затта суперсұйық кристалдың пайда болуына қажетті жалпы шарттар қазіргі таңда зерттеулердің тақырыбы болып табылады.
In condensed matter physics, a supersolid is a spatially ordered material with superfluid properties. In the case of helium 4, it has been conjectured since the 1960s that it might be possible to create a supersolid. Starting from 2017, a definitive proof for the existence of this state was provided by several experiments using atomic Bose–Einstein condensates. The general conditions required for supersolidity to emerge in a certain substance are a topic of ongoing research.
Өмірбаян
Супертұйық – материяның ерекше кванттық күйі, онда бөлшектер қатты, кеңістікте реттелген құрылымды құрайды, бірақ сонымен қатар нөлдік тұтқырлықпен ағып жатады. Бұл, ағындылықтың, әсіресе нөлдік тұтқырлығы бар суперсұйық ағындылықтың, тек сұйық күйге тән қасиет екендігіне қайшы келеді, мысалы, суперөткізгіш электрондық және нейтронды сұйықтықтар, Бозе-Эйнштейн конденсаты бар газдар немесе жеткілікті түрде төмен температурадағы гелий-4 немесе гелий-3 сияқты дәстүрлі емес сұйықтықтар. Сондықтан, 50 жылдан астам уақыт бойы супертұйық күйдің болуы мүмкін бе екендігі белгісіз болды.
A supersolid is a special quantum state of matter where particles form a rigid, spatially ordered structure, but also flow with zero viscosity. This is in contradiction to the intuition that flow, and in particular superfluid flow with zero viscosity, is a property exclusive to the fluid state, e. g., superconducting electron and neutron fluids, gases with Bose–Einstein condensates, or unconventional liquids such as helium 4 or helium 3 at sufficiently low temperature. For more than 50 years it was thus unclear whether the supersolid state can exist.
Гелийді пайдалану эксперименттері
Бірнеше эксперименттер теріс нәтижелер көрсеткенімен, 1980 жылдары Джон Гудкинд ультрадыбыс қолданып, қатты денедегі алғашқы аномалияны тапты. Оның байқауынан шабыттанған Юн Сонг Ким мен Мозес Чан 2004 жылы Пенсильвания штаты университетінде супертұрақ мінез-құлық ретінде интерпретацияланған құбылыстарды байқады. Атап айтқанда, олар бұрылу осцилляторының классикалық емес айналу инерттік моментін анықтады. Бұл байқау классикалық модельдермен түсіндірілмеді, бірақ осциллятордағы гелий атомдарының шағын бөлігінің суперсұйық сияқты мінез-құлқымен сәйкес келді. Бұл жайт кристалл ақауларының немесе гелий-3 қоспаларының қандай рөл атқаратынын анықтау үшін көптеген қосымша зерттеулерге түрткі болды. Келесі эксперименттер гелийдегі нағыз супертұрақтың болуына күмән келтірді. Ең маңыздысы, байқалған құбылыстар гелийдің серпімді қасиеттерінің өзгеруімен толыққанды түсіндіріледі. 2012 жылы Чан өзінің бастапқы эксперименттерін, мұндай әсерлердің барлығын жоюға арналған жаңа құралдармен қайталады. Бұл экспериментте Чан және оның әріптестері супертұраққа ешқандай дәлел таппады.
While several experiments yielded negative results, in the 1980s, John Goodkind discovered the first anomaly in a solid by using ultrasound. Inspired by his observation, in 2004 Eun Seong Kim and Moses Chan at Pennsylvania State University saw phenomena which were interpreted as supersolid behavior. Specifically, they observed a non classical rotational moment of inertia of a torsional oscillator. This observation could not be explained by classical models but was consistent with superfluid like behavior of a small percentage of the helium atoms contained within the oscillator. This observation triggered a large number of follow up studies to reveal the role played by crystal defects or helium 3 impurities. Further experimentation has cast some doubt on the existence of a true supersolid in helium. Most importantly, it was shown that the observed phenomena could be largely explained due to changes in the elastic properties of the helium. In 2012, Chan repeated his original experiments with a new apparatus that was designed to eliminate any such contributions. In this experiment, Chan and his coauthors found no evidence of supersolidity.
Өте суық кванттық газдарды пайдалану эксперименттері
2017 жылы Цюрихтің ЭТХ-дан және МТИ-ден екі зерттеу тобы супертұрақ қасиеттері бар ультра суық кванттық газды құру туралы хабарлады. Цюрих тобы екі оптикалық резонатордың ішіне Бозе-Эйнштейн конденсатын орналастырды, бұл атомдық өзара әрекеттестіктерді өздігінен кристалдануға және Бозе-Эйнштейн конденсаттарының табиғи ағымдалылығын сақтайтын қатты зат құрауға дейін күшейтті. Бұл жағдай супертұрақтың ерекше түрін, яғни атомдар сыртқы тор құрылымының түйіндеріне бекітілген торлы супертұрақты жүзеге асырады. MIT тобы екі шұңғымалы потенциалдағы Бозе-Эйнштейн конденсатын тиімді спин-орбиталық байланысты құратын жарық сәулелеріне ұшыратты. Екі спин-орбиталық байланысты тордағы атомдар арасындағы кедерлесу нәтижесінде ерекше тығыздық модуляциясы пайда болды. 2019 жылы Штутгарт, Флоренция және Инсбрук қалаларынан келген үш топ лантаноид атомдарынан түзілген диполярлы Бозе-Эйнштейн конденсаттарында супертұрақ қасиеттерін байқады. Бұл жүйелерде супертұрақтық атомдық өзара әрекеттесуден тікелей пайда болады, сыртқы оптикалық тордың қажеті жоқ. Бұл супертұрақтың ағынын тікелей байқауға және материяның супертұрақ күйінің бар екендігіне нақты дәлел беруге мүмкіндік берді. 2021 жылы диспрозий 2 өлшемді супертұрақ кванттық газды құру үшін қолданылды. 2022 жылы сол команда дөңгелек тұзақта супертұрақ дискіні жасады. 2021 жылы Бозе-Эйнштейн конденсаты бар конфокалды қуыс кванттық электродинамикасы қатты денелерге тән қасиет – дірілге ие супертұрақты құру үшін қолданылды. Яғни, 16 см/с дыбыс жылдамдығымен Голдстоун дисперсиясын көрсететін торлық фонондарға ие супертұрақ құрылды.
In 2017, two research groups from ETH Zurich and from MIT reported on the creation of an ultracold quantum gas with supersolid properties. The Zurich group placed a Bose–Einstein condensate inside two optical resonators, which enhanced the atomic interactions until they started to spontaneously crystallize and form a solid that maintains the inherent superfluidity of Bose–Einstein condensates. This setting realises a special form of a supersolid, the so called lattice supersolid, where atoms are pinned to the sites of an externally imposed lattice structure. The MIT group exposed a Bose–Einstein condensate in a double well potential to light beams that created an effective spin–orbit coupling. The interference between the atoms on the two spin–orbit coupled lattice sites gave rise to a characteristic density modulation. In 2019, three groups from Stuttgart, Florence, and Innsbruck observed supersolid properties in dipolar Bose–Einstein condensates formed from lanthanide atoms. In these systems, supersolidity emerges directly from the atomic interactions, without the need for an external optical lattice. This facilitated also the direct observation of superfluid flow and hence the definitive proof for the existence of the supersolid state of matter. In 2021, dysprosium was used to create a 2 dimensional supersolid quantum gas. In 2022, the same team created a supersolid disk in a round trap. In 2021, confocal cavity quantum electrodynamics with a Bose–Einstein condensate was used to create a supersolid that possesses a key property of solids, vibration. That is, a supersolid was created that possesses lattice phonons with a Goldstone mode dispersion exhibiting a 16 cm/s speed of sound.
Теория
Көптеген теорияларда, бұл күйдегі бос орындар – идеалды кристалда бөлшектермен толып тұратын орындардың бос болуы – супертұтқырлыққа алып келеді деп есептеледі. Бұл бос орындар нөлдік нүктелік энергияның нәтижесінде пайда болады, сондай-ақ олардың толқын тәрізді бір орыннан екінші орынға қозғалуына себеп болады. Бос орындар бозондар болғандықтан, егер мұндай бос орындардың бұлттары өте төмен температурада тұрақтап қала алса, онда бірнеше ондық бөліктен кем Кельвин температурасында бос орындардың Бозе-Эйнштейн конденсациясы пайда болуы мүмкін. Бос орындардың когерентті ағыны – бөлшектердің кері бағыттағы "суперағынымен" (үкеліссіз ағынмен) тең. Бос орындар газының болуына қарамастан, кристаллдың реттелген құрылымы сақталады, бірақ әр тор түйінінде орташа есеппен бірден кем бөлшек болады. Балама ретінде, супертұтқыр күй суперсұйықтықтан да пайда болуы мүмкін. Атомдық Бозе-Эйнштейн конденсатымен жүргізілген тәжірибелерде осы жағдай іске асырылады, онда кеңістікте реттелген құрылым – суперсұйықтықтың тығыздық таралуының үстіндегі модуляция болып табылады.
In most theories of this state, it is supposed that vacancies – empty sites normally occupied by particles in an ideal crystal – lead to supersolidity. These vacancies are caused by zero point energy, which also causes them to move from site to site as waves. Because vacancies are bosons, if such clouds of vacancies can exist at very low temperatures, then a Bose–Einstein condensation of vacancies could occur at temperatures less than a few tenths of a Kelvin. A coherent flow of vacancies is equivalent to a "superflow" (frictionless flow) of particles in the opposite direction. Despite the presence of the gas of vacancies, the ordered structure of a crystal is maintained, although with less than one particle on each lattice site on average. Alternatively, a supersolid can also emerge from a superfluid. In this situation, which is realised in the experiments with atomic Bose–Einstein condensates, the spatially ordered structure is a modulation on top of the superfluid density distribution.