Supersolide produse în stare exotică de materie cuantică

Este posibil să fi făcut în sfârșit apariția unei stări uluitor de ciudate a materiei. Două echipe de oameni de știință raportează crearea de supersolide, care sunt atât lichide, cât și solide în același timp. Supersolidele au o structură cristalină ca un solid, dar pot curge simultan ca un superfluid, un lichid care curge fără frecare.

Echipele de cercetare de la MIT și ETH Zurich au produs ambele supersolide într-o formă exotică de materie cunoscută sub numele de condensat Bose-Einstein. Rapoartele lucrării au fost publicate online pe arXiv.org pe 26 octombrie (de către grupul MIT) și pe 28 septembrie (de către grupul din Zurich).

Condensurile Bose-Einstein sunt create atunci când un grup de atomi, răciți până aproape de zero absolut, se înghesuie în aceeași stare cuantică și încep să se comporte ca o singură entitate. Trucul oamenilor de știință pentru a crea un supersolid a fost să împingă condensatul, care este deja un superfluid, să se comporte simultan ca un solid. Pentru a face acest lucru, echipele MIT și Zurich au creat variații regulate ale densității atomilor – ca structura cristalină care se repetă a unui solid mai tipic – din sistem. Această variație de densitate rămâne în loc, chiar dacă fluidul poate curge în continuare.

Noile rezultate pot fi primele supersolide create vreodată – cel puțin după unele definiții. „Este cu siguranță primul caz în care poți privi fără ambiguitate un sistem și poți spune că acesta este atât un superfluid, cât și un solid”, spune Sarang Gopalakrishnan de la Colegiul Staten Island al Universității City din New York. Dar sistemele sunt departe de ceea ce fizicienii au prezis când au visat prima dată materialele ciudate.

Oamenii de știință se așteptau inițial să apară supersolide în heliu-4 – un izotop al elementului heliu și același gaz care umple baloanele la petrecerile de naștere ale copiilor. Heliul-4 poate fi răcit și presurizat pentru a produce un superfluid sau un solid. Heliul supersolid ar fi fost un amestec al acestor două stări.

Cu toate acestea, afirmațiile anterioare privind detectarea heliului-4 supersolid nu au rezistat controlului (SN Online: 10.12.2012). Deci, spune Nikolay Prokof’ev de la Universitatea din Massachusetts Amherst, „acum trebuie să mergem la materia cuantică artificială”. Spre deosebire de heliu-4, condensatele Bose-Einstein pot fi controlate cu precizie cu lasere și reglate pentru a se comporta așa cum doresc oamenii de știință.

Cele două grupuri de oameni de știință și-au format supersolidele în moduri diferite. Prin eliminarea condensatului lor cu lasere, grupul MIT a indus o interacțiune care a dat un împins unor atomi. Această mișcare a provocat o interferență între atomii împinși și cei nemișcați, care este similară cu modelele complexe de ondulații care pot apărea atunci când valurile de apă se întâlnesc. Drept urmare, în material s-au format dungi asemănătoare zebrelor – care alternează regiuni de înaltă și joasă densitate, ceea ce indică faptul că era un solid.

Aplicând o metodă diferită, echipa ETH Zurich a folosit două cavități optice – seturi de oglinzi între care lumina sare înainte și înapoi în mod repetat. Undele de lumină din interiorul cavităților au determinat atomii să interacționeze și, prin urmare, să se aranjeze într-un model cristalin, cu atomii separați de un număr întreg de lungimi de undă de lumină.

Autorii celor două studii au refuzat să comenteze cercetarea, deoarece lucrările au fost trimise revistelor sub embargo.

„Experimental, desigur, acestea sunt realizări absolut fantastice”, spune Anatoly Kuklov de la Colegiul din Staten Island. Dar, notează el, particulele din condensatele supersolide Bose-Einstein nu interacționează la fel de puternic ca particulele din heliul-4 supersolid. Ideea unui supersolid este atât de ciudată, deoarece superfluid și stările solide concurează, iar în majoritatea materialelor atomii sunt forțați să aleagă unul sau altul. Dar în condensatele Bose-Einstein, aceste două stări pot trăi mai ușor împreună în armonie, făcând materialele ciudate mai puțin contraintuitive decât ar fi heliul-4 supersolid.

În plus, spune Prokof’ev, „unii oameni vor spune „OK, bine, acest lucru nu se califică exact pentru starea supersolidă”, deoarece distanța dintre variațiile densității a fost stabilită extern, mai degrabă decât să apară în mod natural, așa cum ar fi în heliu.

Totuși, astfel de supersolide sunt interesante pentru statutul lor de tip ciudat și nou de material. „Sunt lucrări grozave”, spune Kuklov. „Acum se acordă o mare atenție supersolidității.”