Физики споткнулись о сверхтвердость

Восьмилетняя история самого таинственного квантового эффекта – сверхтвердости – возможно, подходит к своему завершению: этого эффекта в природе может и не быть.

Квантового эффекта сверхтвердости, возможно, не существует в природе. Во всяком случае, к такому выводу пришел Мозес Чан, физик из Университета штата Пенсильвания, опубликовавший соответствующую статью в последнем номере журнала Physical Review Letters.

Сверхтвердость (supersolidity) – неудачный термин, введенный научной прессой Запада, потому что к повышенной твердости он никакого отношения не имеет. Эффект сверхтвердости сводится к тому, что при очень низких температурах и высоких давлениях, когда гелий превращается в твердое кристаллическое тело, часть его атомов получает возможность пронизывать гелиевый кристалл, словно супергерой, проходящий сквозь стены, то есть не испытывая никакого сопротивления.

Сам эффект был предсказан еще в 1969 году советскими теоретиками Александром Андреевым и Ильей Лифшицем.

К тому времени уже хорошо были изучены и объяснены и сверхпроводимость, и сверхтекучесть жидкого гелия. Но сверхтвердость, то есть сверхтекучесть в твердом теле, даже для привыкших к любому абсурду физиков, занимающихся квантовой механикой, все-таки казалась маловероятной экзотикой, тем более что объяснения механизма, вызывающего этот эффект, причем не для всех атомов, а только почему-то для небольшой их части, так никто и не предложил. Понадобилось 35 лет, чтобы полузабытое советское предсказание вдруг получило экспериментальное подтверждение.

В 2004 году уже упомянутый выше Мозес Чан вместе со своим коллегой Юн Шон Кимом из того же Пенсильванского университета заявили, что им удалось наблюдать эффект сверхтвердости. Они заполнили гелием-4 тонкий диск из пористого стекла, перевели гелий в твердое состояние при помощи давления и низкой температуры, подвесили диск на тонкой нити, создав своего рода крутильный маятник, запустили его… и обнаружили, что при давлении около 50 атмосфер и температуре ниже 0,2 градуса по Кельвину маятник стал колебаться чуть быстрее, чем раньше. Они интерпретировали это так, что масса гелия, принимавшего участие в колебаниях, уменьшилась, поскольку часть его атомов – около одного процента – стала сверхпроникающей, они просто оставались на месте, не обращая внимания на передвижения диска.

В последовавшие восемь лет эксперимент Кима и Чана неоднократно воспроизводился в других лабораториях, но полной ясности так и не прибавилось.

Одни уверенно говорили, что эффект сверхтвердости существует и должен быть освещен Нобелевской премией как новое квантовое состояние вещества, которому можно найти широкое применение в электронике и материаловедении.

Другие с той же уверенностью клялись, что никакой сверхтвердости нет, а есть гелий с примесями, которые тоже работают в его кристаллической решетке по квантовым законам и «размягчают» гелиевый кристалл, приводя к тому же, к чему могла бы приводить и сверхтвердость, на самом деле не существующая. Этому эффекту даже придумали название – квантовая пластичность. Объединяла его со сверхтвердостью одна примечательная особенность – ни для того, ни для другого внятного квантового объяснения так никто и не предложил.

Чан вместе с коллегами решили поставить точки над i и проделали эксперимент, проработанный сверху донизу и исключающий все сомнения насчет примесей.

Никакого эффекта он не обнаружил.

Что это означает, не знает никто. Вполне может быть, что сверхтвердость все-таки существует, но при других давлениях и температурах. Вполне может быть, что существует и квантовая пластичность, природа которой так же таинственна, как и природа сверхтвердости. Есть и другие объяснения тому, что восемь лет назад наблюдали Чан с Кимом, но и они тоже предполагают наличие квантовых эффектов, пока не имеющих объяснения.

Сторонник сверхтвердости профессор Себастьен Балибар, директор Французского национального центра научных исследований и сотрудник лаборатории статистической физики Высшей педагогической школы Парижа, все-таки надеется, что идея сверхтвердости в конце концов восторжествует. «Я готов спорить на что угодно, – говорит он, – что за десять лет они откроют сверхтвердость. Но это очень рискованный спор».


Сверхтекучее твёрдое тело

Сверхтеку́чее твёрдое те́ло (англ. Supersolid) — термодинамическая фаза квантовой жидкости, представляющей собой твёрдое тело со свойствами сверхтекучей жидкости.

Свойства суперсолида

Известно, что при охлаждении квантовой жидкости (конденсата Бозе — Эйнштейна) до определённой температуры она приобретает сверхтекучие свойства (например, нулевую вязкость, то есть не обладающую трением). Возможность сверхтекучести квантовых кристаллов была предсказана еще в 1969 году Андреевым и Лифшицем, а также независимо Честером и Легетом, однако экспериментально не было обнаружено никаких аномалий в свойствах твердого гелия. Лишь в 2004 году Мозес Чан и Юн Шон Ким из Пенсильванского университета, проводя эксперименты с вращательным маятником, заполненным пористым стеклом с твёрдым гелием, обнаружили неклассический момент инерции, который интерпретировали, как переход части кристалла в сверхтекучее состояние[1].

Данная работа стимулировала разнообразные экспериментальные исследования, однако однозначного понимания до сих пор нет. Имеющиеся экспериментальные данные свидетельствуют о том, что аномальное поведение твердого гелия вызвано беспорядком в кристалле, наиболее вероятные причины которого: вакансии и дислокации, межзёренные границы, стекольная или жидкая фазы. Дальнейшие эксперименты показали, что интерпретация обнаруженного эффекта как перехода твёрдого гелия в сверхтекучее состояние была ошибочной[2][3].

В 2009 году физики из Калифорнийского университета в Беркли получили газ рубидия в состоянии сверхтекучего твёрдого тела.[4]

В научных статьях термин «supersolid» описывает не твёрдое тело, а скорее кристалл, обладающий сверхтекучестью. В данном случае газообразный рубидий распределился по ячейкам, образованным полем оптической решётки, то есть атомы были вынуждены образовать кристалл, по сути оставаясь разреженным газом).

Это достижение является следующим шагом в исследовании бозе-статистики и фазовых переходов, так как ранее существовали только теоретические работы, предполагавшие возможность такого состояния материи. Учитывая, что параметрами оптической решётки в данном эксперименте легко управлять, исследователи получили удобный экспериментальный способ изучения фазовых состояний бозе-газа при различных величинах многих параметров — плотность газа, постоянная решётки, сила взаимодействия между атомами. Это может помочь в объяснении высокотемпературной сверхпроводимости и других явлений, где до сих пор нет окончательного решения по механизму, и, хотя предложено много теоретических предположений, не было надёжных методов прямой проверки.