Superčvrste materije su novi oblik kvantne materije koji je tek nedavno prikazan. Stanje materije se može veštački proizvesti u ultrahladnim, dipolarnim kvantnim gasovima. Tim koji je predvodila fizičarka iz Inzbruka Frančeska Ferlaino sada je demonstrirala nedostajuće obeležje superfluidnosti, naime postojanje kvantizovanih vrtloga kao odgovora sistema na rotaciju. Oni su primetili sićušne kvantne vrtloge u superčvrstom telu, koji se takođe ponašaju drugačije nego što se ranije pretpostavljalo.
Rad je objavljen u časopisu Priroda.
Materija koja se ponaša i kao čvrsta i kao superfluidna u isto vreme izgleda nemoguća. Ipak, pre više od 50 godina, fizičari su predvideli da kvantna mehanika dozvoljava takvo stanje, gde kolekcija nerazlučivih čestica može istovremeno da pokaže naizgled kontradiktorna svojstva.
„Pomalo liči na Šredingerovu mačku, koja je i živa i mrtva, superčvrsto telo je i kruto i tečno“, objašnjava Frančeska Ferlaino sa Odeljenja za eksperimentalnu fiziku Univerziteta u Inzbruku i Instituta za kvantnu optiku i kvantne informacije (IKOKI ) Austrijske akademije nauka (OAV).
Dok je kristalni raspored koji dovodi do „čvrste“ prirode superčvrstih materija direktno prikazan, svojstva supertečnosti su mnogo neuhvatljivija. Dok su istraživači ispitivali različite aspekte superfluidnog ponašanja, kao što su fazna koherentnost i Goldstone modovi bez praznina, direktni dokazi o jednoj od karakteristika superfluidnosti – kvantizovanim vrtlozima – ostali su neuhvatljivi.
Sada, u velikom prodoru, kvantizovani vrtlozi su konačno uočeni u rotirajućem dvodimenzionalnom superčvrstom telu, pružajući dugo očekivanu potvrdu irotacionog superfluidnog toka u superčvrstu materiju i označavajući kritičan korak napred u proučavanju modulisane kvantne materije.
U ovoj novoj studiji, naučnici su kombinovali teorijske modele sa najsavremenijim eksperimentima kako bi stvorili i posmatrali vrtloge u dipolarnim superčvrstim materijama – podvig koji se pokazao izuzetno izazovnim. Tim iz Inzbruka je prethodno postigao proboj 2021. godine stvaranjem prve dugovečne dvodimenzionalne superčvrste materije u ultrahladnom gasu od atoma erbijuma, što je samo po sebi bio težak zadatak.
„Sledeći korak—razvijanje načina da se superčvrsto telo meša bez uništavanja njegovog krhkog stanja—zahtevalo je još veću preciznost“, objašnjava glavni autor Eva Kasoti.
Koristeći tehnike visoke preciznosti vođene teorijom, istraživači su koristili magnetna polja da pažljivo rotiraju superčvrsto telo. Pošto tečnosti ne rotiraju kruto, ovo mešanje je izazvalo formiranje kvantizovanih vrtloga, koji su hidrodinamički otisak superfluidnosti.
„Ovaj rad je značajan korak napred u razumevanju jedinstvenog ponašanja superčvrstih tela i njihove potencijalne primene u oblasti kvantne materije“, dodaje Frančeska Ferlaino.
Štaviše, eksperiment je trajao skoro godinu dana, otkrivajući značajne razlike između dinamike vrtloga u superčvrstim i nemodulisanim kvantnim fluidima, i nudeći svež uvid u to kako superfluidne i čvrste karakteristike koegzistiraju i interaguju u ovim egzotičnim kvantnim stanjima.
Implikacije ovog otkrića sežu daleko izvan laboratorije, potencijalno utičući na polja u rasponu od fizike kondenzovane materije do astrofizike, gde slične kvantne faze mogu postojati u ekstremnim uslovima.
„Naši nalazi otvaraju vrata proučavanju hidrodinamičkih svojstava egzotičnih kvantnih sistema sa višestrukim narušenim simetrijama, kao što su kvantni kristali, pa čak i neutronske zvezde“, rekao je Tomas Bland, koji je vodio teorijski razvoj projekta.
„Na primer, pretpostavlja se da su promene u brzini rotacije primećene u neutronskim zvezdama – takozvani kvarovi – uzrokovane superfluidnim vrtlozima zarobljenim unutar neutronskih zvezda. Naša platforma nudi mogućnost da se simuliraju takve pojave upravo ovde na Zemlji. Superfluidni vrtlozi su takođe se veruje da postoje u superprovodnicima, koji mogu da provode struju bez gubitaka.
Naš rad je važna prekretnica na putu istraživanja nove fizike“, kaže Frančeska Ferlaino.
„Ovde u laboratoriji možemo da posmatramo fizičke pojave koje se javljaju u prirodi samo u veoma ekstremnim uslovima, kao što su neutronske zvezde.“
