Квантовая жидкость становится твердой при нагревании
Твердые тела можно расплавить при нагревании, но в квантовом мире может быть и наоборот: совместными усилиями экспериментальная группа под руководством Франчески Ферлайно в Инсбруке, Австрия, и теоретическая группа под руководством Томаса Пола в Орхусе, Дания, показала как квантовая жидкость образует сверхтвердые структуры при нагревании. Ученые получили первую фазовую диаграмму сверхтвердого тела при конечной температуре.
Температурное формирование сверхтвердости. Нагревание диполярной квантовой жидкости может привести к возникновению сверхтвердой фазы вещества, как схематично показано на c.
Предоставлено: Nature Communications (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-37207-3
Сверхтвердые тела — относительно новая и захватывающая область исследований. Они одновременно проявляют как твердые, так и сверхтекучие свойства. В 2019 году три исследовательские группы смогли впервые безоговорочно продемонстрировать это состояние в ультрахолодных квантовых газах, в том числе исследовательская группа под руководством Франчески Ферлайно из Департамента экспериментальной физики Университета Инсбрука и Института квантовой оптики ÖAW и квантовая информация (IQOQI) в Инсбруке.
В 2021 году группа Франчески Ферлайно подробно изучила жизненный цикл сверхтвердых состояний в диполярном газе атомов диспрозия. Они обнаружили нечто неожиданное: «Наши данные свидетельствуют о том, что повышение температуры способствует формированию сверхтвердых структур», — рассказывает Клаудия Полити из команды Франчески Ферлайно. «Это удивительное поведение стало важным толчком для теории, которая ранее уделяла мало внимания тепловым флуктуациям в этом контексте».
Инсбрукские ученые объединили свои усилия с датской теоретической группой во главе с Томасом Полем, чтобы исследовать влияние тепловых колебаний. Они разработали и опубликовали в Nature Communications теоретическую модель, которая может объяснить экспериментальные результаты и подчеркивает тезис о том, что нагрев квантовой жидкости может привести к образованию квантового кристалла. Теоретическая модель показывает, что при повышении температуры эти структуры могут образовываться легче.
«Благодаря новой модели у нас впервые появилась фазовая диаграмма, показывающая формирование сверхтвердого состояния в зависимости от температуры», — говорит Франческа Ферлайно. «Удивительное поведение, которое противоречит нашим повседневным наблюдениям, возникает из-за анизотропной природы диполь-дипольного взаимодействия сильномагнитных атомов диспрозия».
