Сверхтвёрдое состояние вещества: от теории к экспериментам.
Supersolid
Сверхтвёрдое тело: новое состояние материи с нулевой вязкостью. Эксперименты 2017 года подтвердили существование сверхжидкости в Бозе-эйнштейновском конденсате.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Состояние материи
State of matter
В физике конденсированного состояния сверхтвёрдое тело — это пространственно упорядоченный материал, обладающий свойствами сверхтекучести. В случае гелия-4 с 1960-х годов высказывались предположения о возможности создания сверхтвёрдого тела. Начиная с 2017 года, несколько экспериментов с использованием атомных конденсатов Бозе — Эйнштейна предоставили окончательные доказательства существования этого состояния. Общие условия, необходимые для возникновения сверхтвёрдости в конкретном веществе, остаются предметом текущих исследований.
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.
Предыстория
Супертвердое вещество – это особое квантовое состояние материи, в котором частицы формируют жесткую, пространственно упорядоченную структуру, но при этом текут без вязкости. Это противоречит представлению о том, что течение, и в особенности сверхтекучесть без вязкости, является свойством, исключительным для жидкого состояния, например, сверхпроводящих электронных и нейтронных жидкостей, газов с конденсатами Бозе-Эйнштейна или нетрадиционных жидкостей, таких как гелий-4 или гелий-3 при достаточно низких температурах. Более 50 лет оставалось неясным, возможно ли существование супертвердого состояния.
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.
Эксперименты с использованием гелия
Несмотря на то, что ряд экспериментов дали отрицательные результаты, в 1980-х годах Джон Гудкинд обнаружил первую аномалию в твердом теле, используя ультразвук. Вдохновленные его наблюдением, в 2004 году Юн Сон Ким и Мозес Чан из Университета штата Пенсильвания наблюдали явления, которые были интерпретированы как проявление сверхтекучести в твердом теле. В частности, они зафиксировали неклассический момент инерции вращения торсионного осциллятора. Это наблюдение не поддавалось объяснению классическими моделями, но соответствовало сверхтекучему поведению небольшой доли атомов гелия, содержащихся в осцилляторе. Это наблюдение послужило толчком к многочисленным последующим исследованиям, направленным на выяснение роли кристаллических дефектов или примесей гелия-3. Дальнейшие эксперименты вызвали сомнения в существовании истинного сверхтвердого состояния гелия. Наиболее важно, что было показано, что наблюдаемые явления можно в значительной степени объяснить изменениями в упругих свойствах гелия. В 2012 году Чан повторил свои первоначальные эксперименты с новым аппаратом, разработанным для исключения подобных влияний. В этом эксперименте Чан и его соавторы не обнаружили никаких признаков сверхтекучести в твердом теле.
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.
Эксперименты с использованием сверххолодных квантовых газов
В 2017 году две исследовательские группы из ETH Zurich и из MIT сообщили о создании ультрахолодного квантового газа с сверхтвердыми свойствами. Цюрихская группа поместила конденсат Бозе-Эйнштейна внутрь двух оптических резонаторов, что усилило атомные взаимодействия, пока они не начали спонтанно кристаллизоваться и образовывать твердое тело, сохраняющее присущую сверхжидкостям конденсатов Бозе-Эйнштейна текучесть. Эта конфигурация реализует особую форму сверхтвердого тела, так называемый решетчатый сверхтвердый, в котором атомы фиксируются в узлах внешне наложенной решетчатой структуры. Группа MIT подвергла конденсат Бозе-Эйнштейна в двойном потенциале воздействию световых лучей, которые создали эффективное спин-орбитальное взаимодействие. Интерференция между атомами на двух спин-орбитально связанных узлах решетки привела к характерной модуляции плотности. В 2019 году три группы из Штутгарта, Флоренции и Инсбрука наблюдали сверхтвердые свойства диполярных конденсатов Бозе-Эйнштейна, сформированных из атомов лантаноидов. В этих системах сверхтвердость возникает непосредственно из атомных взаимодействий, без необходимости использования внешней оптической решетки. Это также позволило непосредственно наблюдать сверхжидкостный поток и, следовательно, получить окончательное доказательство существования сверхтвердого состояния материи. В 2021 году диспрозий был использован для создания двухмерного сверхтвердого квантового газа. В 2022 году та же команда создала сверхтвердый диск в круглой ловушке. В 2021 году квантовая электродинамика в конфокальной полости с конденсатом Бозе-Эйнштейна была использована для создания сверхтвердого тела, обладающего ключевым свойством твердых тел – способностью к вибрациям. Иными словами, был создан сверхтвердый, обладающий решетчатыми фононами с дисперсией в режиме Голдстоуна, демонстрирующей скорость звука 16 см/с.
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
В большинстве теорий этого состояния предполагается, что вакансии – пустые места, обычно занятые частицами в идеальном кристалле – приводят к сверхтекучести твердого тела. Эти вакансии обусловлены энергией нулевой точки, которая также вызывает их перемещение с сайта на сайт в виде волн. Поскольку вакансии являются бозонами, если такие облака вакансий могут существовать при очень низких температурах, то может произойти конденсация Бозе-Эйнштейна вакансий при температурах менее нескольких десятых Кельвина. Когерентный поток вакансий эквивалентен "суперпотоку" (не имеющему трения потоку) частиц в противоположном направлении. Несмотря на присутствие газа вакансий, упорядоченная структура кристалла сохраняется, хотя в среднем на каждом узле решетки содержится менее одной частицы. В качестве альтернативы, сверхтекучее твердое тело может также возникнуть из сверхтекучей жидкости. В этой ситуации, которая реализуется в экспериментах с атомными конденсатами Бозе-Эйнштейна, пространственно упорядоченная структура представляет собой модуляцию поверх распределения плотности сверхтекучей жидкости.
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.