Звуковые моды, подобные сверхтвердым, в движущемся квантовом газе
В повседневной жизни вся материя существует в газообразном, жидком или твёрдом состоянии. Однако в квантовой механике возможно одновременное существование двух различных состояний. Например, ультрахолодная квантовая система может проявлять свойства как жидкости, так и твёрдого тела одновременно. Исследовательская группа «Синтетические квантовые системы» Гейдельбергского университета продемонстрировала это явление, используя новый экспериментальный подход, подавая небольшое количество энергии в сверхтекучую жидкость. Было показано, что в управляемой квантовой системе такого типа звуковые волны распространяются с двумя разными скоростями, что указывает на сосуществование жидкого и твердого состояний — отличительный признак сверхтвердости. Работа опубликована в журнале Nature Physics.
Рис. Инициализация решётки. Источник: Nature Physics (2025). DOI: 10.1038/s41567-025-02927-4
При охлаждении атомов до низких температур их волновая природа становится доминирующей. При достаточном сближении множество частиц сливаются в одну большую волну, известную как конденсат Бозе-Эйнштейна. Это состояние представляет собой сверхтекучую жидкость. В редких случаях сверхтекучие жидкости также могут демонстрировать периодические модуляции плотности. Под действием внешних сил эти модуляции приводят к тому, что сверхтекучая жидкость фактически «кристаллизуется» и приобретает свойства твёрдого тела. Несмотря на эту кристаллизацию, атомы в системе продолжают вести себя как одна коллективная волна, сохраняя свои сверхтекучие свойства. В квантовой механике такое сосуществование жидкого и твёрдого состояний называется сверхтвёрдостью.
Периодические модуляции плотности в сверхтекучих жидкостях могут, например, возникать при встряхивании системы. Подобно ряби, образующейся на поверхности воды при встряхивании ведра, энергия вводится в сверхтекучую жидкость посредством «встряхивания» взаимодействия между атомами. Она становится динамической, управляемой извне квантовой системой и больше не находится в состоянии равновесия.
Предыдущие исследования показали, что в таких системах кристаллический порядок всё же может возникать. Однако, связь между моделями кристаллизации и сверхтвёрдостью до сих пор не была экспериментально исследована.
Отличительной особенностью сверхтвёрдых тел является наличие двух типов звуковых волн: один, возмущающий сверхтекучую среду, и другой, возмущающий кристаллический порядок. Используя передовые экспериментальные методы, физики из Гейдельберга успешно инициировали каждое из этих возмущений по отдельности. Было изучено, как звуковые волны распространяются через управляемую квантовую систему. Обнаружено, что возникающие дефекты распространяются с разной скоростью, что указывает на то, что система проявляет как жидкие, так и твёрдые свойства, что делает её сверхтвёрдой.
Эта работа представляет собой первое наблюдение сверхтвёрдых звуковых волн в системе, очень далёкой от равновесия.
