Supersolid - podivná nová fáze hmoty

Fyzici vytvořili vůbec první dvourozměrný supersolid – bizarní  fázi hmoty, která se chová jako pevná i kapalná současně. Supersolidy (super pevné látky) jsou materiály, jejichž atomy jsou uspořádané do pravidelné opakující se krystalové struktury, ale jsou také schopny proudit, pohybovat se, aniž by ztratily jakoukoli kinetickou energii. Navzdory svým podivným vlastnostem, které zřejmě porušují mnoho známých fyzikálních zákonů, je fyzici teoreticky dlouho předpovídali – poprvé se jejich návrh objevil v práci fyzika Eugena Grosse již v roce 1957. Po více než 50 let ale nebylo jasné, zda superpevný stav může existovat. Nyní, pomocí laserů a super-chlazených plynů, fyzici konečně přemluvili supersolid dokonce do 2D struktury, což je pokrok, který by mohl vědcům umožnit prolomit hlubší fyziku skrývající se za tajemnými vlastnostmi podivné fáze hmoty.

V roce 2019 tři vědecké skupiny ze Stuttgartu, Florencie a Innsbrucku pozorovaly superpevné vlastnosti v dipolárních Bose-Einsteinových kondenzátech vytvořených z atomů lanthanoidů. Přímo pozorovali supratekuté proudění a tím podali definitivní důkaz existence superpevného stavu hmoty. V roce 2021 bylo použito k vytvoření 2-dimenzionálního superpevného kvantového plynu dysprosium (Dy). Vědce zvláště zajímá, jak se 2D supersolidy budou chovat, když rotují, když se v nich objeví víry. „Očekáváme, že se budeme mít co učit ze studia rotačních oscilací. Víry mohou existovat v rámci 2D systému mnohem snadněji než v 1D,“ řekl hlavní autor Matthew Norcia, fyzik z Institutu kvantové optiky a kvantových informací (IQOQI) Innsbrucké univerzity v Rakousku.

Téměř při absolutní nule 

Vědci vytvořili supersolid tak, že pozastavili oblak atomů ¹⁶⁴Dy uvnitř optické pinzety ochlazováním atomů těsně nad absolutní nulou (–273,15 °C) pomocí techniky zvané laserové chlazení. Zářením laseru se plyn obvykle zahřívá, ale pokud fotony v laserovém paprsku cestují opačným směrem pohybujících se částic plynu, mohou ve skutečnosti způsobit pomalé ochlazování částic plynu. Po ochlazení atomů dysprosia tak daleko, jak jen mohli, vědci uvolnili „stisk“ optické pinzety a vytvořili pro nejenergičtější atomy dostatek prostoru k úniku. Vzhledem k tomu, že „teplejší“ částice se chvějí rychleji než chladnější částice, tato technika, nazývaná odpařovací chlazení, zanechá jen super-chladné atomy; a tyto atomy byly přeměněny na novou fázi hmoty – Bose-Einsteinovský kondenzát. Když je plyn ochlazen na téměř nulovou teplotu, ztrácejí všechny jeho atomy energii a vstupují do stejných energetických stavů. Vzhledem k tomu, že můžeme rozlišovat jinak identické atomy v plynovém oblaku pouze podle jejich energetických hladin, má toto vyrovnání hluboký důsledek: původně nesourodý oblak vibrujících, chvějících se, srážejících se atomů, které tvoří teplejší plyn, se z kvantově mechanického hlediska stává oblakem dokonale identických atomů. 

To otevírá dveře k některým opravdu podivným kvantovým efektům 

Jedno z klíčových pravidel kvantového chování, Heisenbergův princip nejistoty, říká, že s absolutní přesností nemůžete znát polohu částice současně s její hybností. Ale nyní, když se atomy Bose-Einsteinovského kondenzátu již nehýbou, je známa jejich úhrnná hybnost přesně. To vede k tomu, že polohy atomů se stávají tak nejistými, že místa, která by mohly obsadit, rostou, aby byla větší než prostory mezi samotnými atomy. Místo diskrétních atomů pak překrývající se atomy působí, jako by to byla jen jedna obří částice. To dává některým Bose-Einsteinovským kondenzátům vlastnost supratekutosti - umožňuje jejich částicím proudit bez vnitřního tření. Ve skutečnosti, kdybyste rozmíchali hrnek supratekutého bose-einsteinovského kondenzátu, nikdy by nepřestal vířit. 

Magnetismus v akci

Vědci použili izotop dysprosia ¹⁶⁴Dy, protože (vedle svého souseda na periodické tabulce, holmia) je nejvíce magnetický ze všech objevených prvků. To znamená, že když byly atomy dysprosia-164 podchlazené, shlukly se do kapiček a držely se u sebe jako malé tyčinkové magnety. „Pečlivým laděním rovnováhy mezi magnetickými interakcemi dlouhého dosahu a kontaktními interakcemi krátkého dosahu mezi atomy jsme byli schopni vytvořit dlouhou, jednorozměrnou trubku kapiček, která také obsahovala volně tekoucí atomy - 1D supersolid“, řekl Norcia.

2D umíme, hurá na 3D!

K přechodu z 1D na 2D použili vědci větší past a snížili intenzitu paprsků svých optických pinzet ve dvou směrech. To jim spolu s udržováním dostatečného množství atomů v pasti, aby se udržela dostatečně vysoká hustota, nakonec umožnilo vytvořit cik-cak strukturu kapiček, podobnou tomu, jako by dvě 1D trubice ležely vedle sebe – 2D supersolid.

Po úspěšném vytvoření 2D chtějí fyzici studovat všechny vlastnosti, které z této další dimenze vyplývají. Plánují např. studovat víry, které se objevují uvězněny mezi kapičkami, což může být zajímavé zejména proto, že tyto víry atomů mohou podle teorie vířit navždy. Zároveň to přivádí výzkumníky o krok blíže k 3D supersolidům, které mohou mít ještě více neznámých vlastností.

Vědci publikovali svá zjištění 18. srpna 2021 v časopise Nature.

Zdroje:

Physicists give weird new phase of matter an extra dimension | Live Science

Superpevné látky – Wikipedie (wikipedia.org) Superpevné látky – Wikipedie (wikipedia.org)