В лаборатории, расположенной между зазубренными вершинами австрийских Альп, редкоземельные металлы испаряются и вылетают из печи со скоростью истребителя. Затем множество лазеров и магнитных импульсов замедляют газ почти до полной остановки, делая его холоднее, чем в глубинах космоса. Приблизительно 50 000 атомов в газе теряют всякую индивидуальность, сливаясь в единое состояние. Наконец, под воздействием магнитного поля крошечные торнадо возникают, пируя в темноте.
В течение трёх лет физик Франческа Ферлайно и её команда из Университета Инсбрука работали над тем, чтобы получить изображение этих квантовых вихрей в действии. «Многие люди говорили мне, что это невозможно, — сказала Ферлайно во время экскурсии по своей лаборатории этим летом. — Но я была уверена, что у всё нас получится».
Теперь в статье, опубликованной в журнале Nature, они опубликовали снимки вихрей, предоставив долгожданные доказательства существования экзотической фазы материи, известной как cверхтекучее твёрдое тело.
Сверхтекучее твёрдое тело, парадоксальная фаза материи, которая одновременно является самым жёстким твёрдым телом и самой текучей жидкостью, очаровывает физиков конденсированных сред с момента предсказания её существования в 1957 году. Намёки на эту фазу появлялись все чаще, но новый эксперимент дал последнее серьёзное доказательство её существования. Авторы считают, что вихри, образующиеся в сверхтекучих жидкостях, могут помочь объяснить свойства целого ряда систем, от высокотемпературных сверхпроводников до астрономических тел.
Вихри могут рассказать, как ведёт себя материя в одних из самых экстремальных условий во Вселенной. Пульсары, которые представляют собой вращающиеся нейтронные звёзды — необычайно плотные останки сгоревших звёзд — предположительно имеют сверхтвёрдые внутренности. По словам Ванессы Грабер, физика из Лондонского университета Роял Холлоуэй (Великобритания), специализирующегося на этих звёздах, «это действительно хороший аналог» для нейтронных звёзд. «Я очень рада этим результатам».
Твёрдые и текучие
Представьте, что вы вращаете ведро, наполненное различными видами материи. Твёрдое вещество будет вращаться вместе с ёмкостью из-за трения между ведром и жёсткой решёткой атомов материала. У жидкости, напротив, внутреннее трение меньше, поэтому она образует большой вихрь в центре ведра. (Внешние атомы вращаются вместе с ведром, а внутренние отстают).
Если сделать некоторые жидкости достаточно холодными и разреженными, их атомы начнут взаимодействовать на больших расстояниях, в итоге соединяясь в одну гигантскую волну, которая течёт идеально, без какого-либо трения. Эти так называемые сверхтекучие жидкости были впервые обнаружены в гелии в 1937 году российскими и канадскими физиками.
Попробуйте раскрутить ведро со сверхтекучей жидкостью, и она останется в покое, даже когда ведро будет вращаться вокруг него. Сверхтекучая жидкость всё ещё трётся о ведро, но она абсолютно не чувствует трения, пока контейнер не достигнет определённой скорости вращения. В этот момент, сопротивляясь желанию вращаться, сверхтекучая жидкость внезапно порождает единственный квантовый вихрь — вихрь атомов, окружающий несуществующую колонну, идущую от поверхности и до дна ведра. Продолжайте ускорять движение контейнера, и на границе жидкости начнут появляться новые торнадо.
Через двадцать лет после открытия сверхтекучих жидкостей американский физик Юджин Гросс предположил, что такой же квантовый «коллективизм» может возникнуть и в твёрдых телах. Физики десятилетиями спорили, может ли существовать этот причудливый гибрид сверхтекучей жидкости и твёрдого тела. В конце концов появилась теоретическая картина сверхтекучего твёрдого тела. Регулируя магнитное поле вокруг сверхтекучей жидкости, можно уменьшить отталкивание между атомами таким образом, что они начнут слипаться. Эти сгустки будут выравниваться по магнитному полю, но отталкиваться друг от друга, самоорганизуясь в кристаллическую структуру и сохраняя при этом своё странное поведение без трения.
Поместите cверхтекучее твёрдое тело во вращающееся ведро, и атомы будут смещаться синхронно, так что решётка сгустков будет вращаться вместе с контейнером, подобно твёрдому телу. Но, как и сверхтекучая жидкость, при достаточно быстром вращении материал всё равно будет распадаться на вихри, которые будут зажаты между сгустками атомов. Сверхтекучее твёрдое тело вещество будет одновременно жёстким и текучим.
Предсказание Гросса положило начало долгим поискам сверхтвёрдого вещества в лаборатории.
Впервые исследователи объявили об этом открытии в 2004 году, но затем отказались от своих заявлений. Новый всплеск активности произошёл в 2017 году, а затем снова в 2019 году, когда группы из Штутгарта, Флоренции и Инсбрука обнаружили многообещающие признаки состояния cверхтекучего твёрдого тела в одномерных системах. Группы начали с газов, состоящих из атомов диспрозия и эрбия, которые по своей природе достаточно магнитны, чтобы действовать как маленькие стержневые магниты. Воздействие магнитного поля заставило атомы естественным образом сгруппироваться в регулярно расположенные комочки, образующие кристаллическую решётку. Затем, когда исследователи понизили температуру и плотность, взаимодействие между атомами заставило их естественно колебаться как одна когерентная волна, обладающая всеми свойствами сверхтекучей жидкости.
Эксперименты 2019 года позволили увидеть «две конкурирующие природы» сверхтвёрдого вещества, говорит Елена Поли, аспирантка из команды Инсбрука. С тех пор группа расширила предполагаемое сверхтекучее твёрдое тело с одного измерения до двух и исследовала его на предмет различных предсказанных свойств.
Но «не хватало неопровержимых доказательств» существования сверхтекучих твёрдых тел, говорит Йенс Херткорн, физик из Массачусетского технологического института и бывший член штутгартской команды. Отличительной чертой сверхтекучести является множество вихрей, возникающих при вращении. Несмотря на многолетние попытки, «никто до сих пор не мог успешно раскрутить сверхтекучее твёрдое тело», — говорит Херткорн.
Вращение сверхтекучего твёрдого тела
Чтобы наблюдать, как сверхтекучее твёрдое тело реагирует на вращение, команда из Инсбрука использовала магнитное поле в качестве «ложки», перемешивая внутренние магнитные поля атомов примерно 50 раз в секунду. Это достаточно быстро, чтобы вызвать вихри, но достаточно нежно, чтобы сохранить квантовую фазу. «Это очень, очень хрупкое состояние — любое небольшое изменение может его разрушить», — говорит Ферлайно.
Выявление этих маленьких циклонов оказалось более сложной задачей. Группа провела три года в погоне за квантовыми бурями. В конце концов они воспользовались предложением Алессио Рекати, физика из Университета Тренто, поступившим в 2022 году. Он предложил формировать вихри в сверхтвёрдой фазе, а затем плавить материал обратно в сверхтекучую, чтобы получить более контрастное изображение вихрей.
Однажды вечером в пятницу в начале прошлого года три аспиранта ворвались в тусклый паб неподалёку от кампуса Инсбрука с ноутбуком в руках. Они искали двух постдоков команды, которые подтвердили, что запечатлели торнадо в своём квантовом газе. «Это было необычайно захватывающе», — говорит Томас Бланд, один из постдоков. Аспиранты вернулись в лабораторию, а Бланд и его коллега остались праздновать успех.
«Мы все уверены, что это квантовый вихрь», — сказал Рекати, который не участвовал в эксперименте. По его словам, он ждёт, когда экспериментаторы измерят скорость вращения торнадо, чтобы полностью подтвердить теоретические предсказания, но сами по себе изображения являются удовлетворительным подтверждением. «Это очень важно для всего физического сообщества».
Херткорн хочет, чтобы результаты смогли повторить другие группы, а также проследить, как меняются сигналы в различных экспериментальных условиях. Тем не менее, он похвалил команду из Инсбрука за упорство в проведении столь сложных измерений. «С экспериментальной точки зрения очень впечатляет то, что это можно наблюдать», — сказал он.
Космические связи
В мае этого года Эзекиль Зубиета в небольшом городке под Буэнос-Айресом ел на обед голубцы, когда на экране своего ноутбука он увидел конвульсии мёртвой звезды. Зубиета, аспирант астрономического факультета Национального университета Ла-Платы, следил за впечатляюще стабильным вращением пульсара Вела, намагниченного остатка массивной звезды, взорвавшейся примерно 11 000 лет назад.
Вращаясь, Вела испускает лучи излучения со своих полюсов, которые вспыхивают на Земле 11 раз в секунду с регулярностью, превосходящей лучшие часы, которые только может построить человек. Но в тот день звезда вращалась на 2,4 миллиардных доли секунды быстрее, чем обычно.
На снимке, сделанном рентгеновской обсерваторией НАСА «Чандра», показана струя частиц, вылетающих из пульсара Вела — нейтронной звезды, расположенной примерно в 1000 световых лет от Земли и вращающейся 11 раз в секунду. Предполагается, что похожие на луковицу формы — это взрывные волны от материи, устремляющейся прочь от звезды.
На протяжении десятилетий астрономы задавались вопросом, что может заставить эти массивные объекты внезапно ускорить своё вращение. Многие надеются, что такие «глюки» пульсаров помогут им разобраться в скрытых свойствах этих своеобразных космических маяков.
Учёные знают, что останки звёзд плотно набиты нейтронами — одна чайная ложка материала нейтронной звезды весит столько же, сколько гора Эверест. Никто точно не знает, что происходит с нейтронами в таких условиях. Но астрономы подозревают, что в слое под твёрдой внешней корой звёзды нейтроны под давлением образуют сгустки, принимающие необычные формы, которые они часто называют «ядерной пастой». В ведущих моделях есть фазы, напоминающие ньокки, спагетти и лазанью.
На конференции в 2022 году Ферлайно подслушал, как некоторые астрономы обсуждали предполагаемые свойства ядерной пасты. Многие считают, что похожие на пасту сгустки нейтронов сливаются, образуя сверхтекучую жидкость, но неясно, как этот материал может давать «глюки». Ферлайно заподозрила, что «глюки» могут быть признаком cверхтекучего твёрдого тела, которое она получала в своей лаборатории, и решила провести расследование.
В прошлом году её команда использовала компьютерную симуляцию cверхтекучего твёрдого тела, чтобы смоделировать, что произойдёт, если аналогичный материал будет существовать внутри вращающейся нейтронной звезды. Они обнаружили, что после образования вихрей один из них может сместиться и столкнуться со своим соседом, вызвав торнадо и лавинообразным образом передать свою энергию контейнеру. Достаточное количество таких столкновений торнадо может на короткое время ускорить вращение нейтронной звезды, что приведёт к «глюку», предположили они.
Грабер, которая несколькими годами ранее опубликовала обзор лабораторных аналогов нейтронных звёзд, была в восторге, когда наткнулся на эту работу. «Боже мой, там есть ещё что-то, что я могу использовать, — вспоминает она, думая о различных свойствах вращающихся суперзвёзд, описанных в статье. — Просто читая текст, я думала: „Вот это у меня тоже есть, и это у меня есть, и вот это у меня есть“».
Теперь, когда группа Ферлайно обнаружила вихри в cверхтекучем твёрдом теле, они планируют изучить, как эти торнадо формируются, мигрируют и рассеиваются. Они также хотят воспроизвести предполагаемый механизм «глюков» пульсара, чтобы показать, как лавина вихрей может заставить cверхтекучее твёрдое тело в реальном мире ускорить своё вращение. Физики также надеются использовать эти исследования для расшифровки других экзотических фаз материи, где вихри, как ожидается, будут играть ключевую роль, например, в высокотемпературных сверхпроводниках.
Тем временем астрономы, такие как Грабер и Зубиета, надеются, что эта работа позволит создать новый инструмент для диагностики пульсаров. Лучше понимая динамику вихрей, они смогут использовать наблюдения за глюками пульсаров, чтобы сделать вывод о составе и поведении ядерной пасты.
«Если вы сможете понять, как работает эта физика в малых масштабах, это будет очень ценно для нас, — говорит Грабер. — Я не могу воспользоваться телескопом и заглянуть под кору нейтронной звезды, но у них, по сути, есть такая возможность».
Ферлайно, чья группа занимается поиском других систем, в которых может наблюдаться твёрдая cверхтекучесть, считает, что эти приложения отражают фундаментальную взаимосвязь природы. «Физика универсальна, — сказала она, — и мы изучаем правила игры».
