Wizja artystyczna dwuwymiarowego nadpłynnego kryształu

Dwuwymiarowe nadpłynne kryształy – najbardziej egzotyczny stan materii, jaki znamy

Fizykom udało się stworzyć w warunkach laboratoryjnych niezwykłą dwuwymiarową substancję stałą, tzw. nadpłynny kryształ. Może nie brzmi to dość spektakularnie, ale naukowcy pracowali nad tym od blisko 50 lat.

W filmach SF często pojawiają się sceny, w których bohaterowie przenikają przez ściany – bez jakiegokolwiek uszczerbku, czy to dla osoby, czy dla przedmiotu. Logika podpowiada, że jest to niezgodne z prawami fizyki, ale nie do końca. Czy jest zatem możliwe, by jedno ciało stałe przenikało bez tarcia przez inne?

Stan inny niż wszystkie

Eun-Seong Kim oraz Moses Chan z Uniwersytetu w Pensylwanii zaobserwowali mniejszy moment bezwładności krystalicznego helu 4He tak, jakby pewna część kryształu pozostawała w spoczynku, podczas gdy reszta się obracała. Jednocześnie nie jest wydzielane ciepło, a więc można stwierdzić, że układ przenika przez drugi bez tarcia. Fizycy taki stan ciała stałego nazywają nadpłynnym.

Są także materiały, w których atomy mają uporządkowaną strukturę ciała stałego, ale jednocześnie mogą płynąć bez tarcia. Ten stan termodynamiczny jest w języku angielskim nazywany supersolid (analogia do superconductor – nadprzewodnika lub superfluid – nadpłynnego). Termin ten nie ma polskiego odpowiednika, ale Krzysztof Byczuk z Instytutu Fizyki Uniwersytetu Augsburskiego w swojej pracy „Supersolids” zaproponował tłumaczenie supersolid jako nadciała stałego lub nadpłynnego ciała stałego, czyli po prostu nadpłynnego kryształu.

Dwa lata temu fizycy z powodzeniem stworzyli nadpłynne kryształy przy użyciu ultrazimnych atomów magnetycznych. Niestety, były one jednowymiarowe. Teraz zespół uczonych po raz pierwszy stworzył strukturę podobną do kryształu dwuwymiarowego.

Aby wyobrazić sobie nadpłynny kryształ, rozważmy kostkę lodu zanurzoną w wodzie, z beztarciowym przepływem wody przez kostkę.

Bruno Laburthe-Tolra z Laboratorium Fizyki Laserowej w Paryżu

Te niezwykłe właściwości oznaczają, że nadpłynne kryształy są określane jako kwantowo-mechaniczny stan materii.

Dzieje się tak, gdyż podobnie jak w przypadku wielu innych zjawisk kwantowych (np. splątaniu lub kocie Schrödingera), cząstki w nadpłynnym krysztale są zarówno zamknięte w sztywnej strukturze ciała stałego, ale również zdelokalizowane w tym samym czasie, co pozwala im zachowywać się jak fala i swobodnie przepływać bez tarcia przez całe ciało stałe.

50-letnie poszukiwania

Możliwość istnienia nadpłynnego kryształu po raz pierwszy rozważano w 1962 r. przez C.N Yanga, który doszedł do wniosku, że stan taki nie powinien istnieć. Siedem lat później Andreev i Lifshitz zaproponowali, że defekty w kwantowym krysztale mogą kondensować w stan nadpłynny. W 1970 r. Leggett zasugerował, że nadpłynne kryształy można znaleźć poprzez wyznaczenie momentu bezwładności układu. Dopiero w ostatnich dekadach nastąpił renesans zainteresowania nadpłynnymi kryształami.

W 2004 r. Ceperley i Bernu wykazali matematycznie, że w idealnym krysztale nadpłynność nie występuje. Z kolei Prokof’ov i Svistunov wykaali, że warunkiem koniecznym dla istnienia nadpłynności w krysztale jest obecność luk. Naukowcy wciąż nie wiedzą, jakie warunki muszą zajść, by powstał nadpłynny kryształ – to sprawa indywidualna dla każdego z materiałów.

W ostatnich latach uczeni skupili się na ultrazimnych gazach kwantowych – chmurach silnie magnetycznych atomów schłodzonych do temperatury bliskiej zera absolutnego. Dzięki namagnesowaniu, atomy oddziałują ze sobą w nietypowy sposób i może prowadzić do powstania nadpłynnego kryształu.

Austriacki zespół naukowców, kierowany przez Francescę Ferlaino z Uniwersytetu w Innsbrucku i Austriackiej Akademii Nauk, był jednym z kilku, który zademonstrował istnienie nadpłynnego kryształu jeszcze w 2019 roku. Dopiero teraz udało się tak usprawnić cały układ, by powstał model dwuwymiarowy.

Po co to wszystko?

W przypadku odkryć z dziedziny mechaniki kwantowej często można się zastanawiać, czy są to odkrycia dla samych odkryć, bez praktycznych konsekwencji. Badanie nadpłynnych kryształów może udzielić fizykom odpowiedzi na kilka ważnych pytań.

W dwuwymiarowym układzie nadpłynnego kryształu można badać, jak w luce między kilkoma sąsiednimi kroplami tworzą się wiry. Te wiry opisane w teorii nie zostały jeszcze zademonstrowane, ale stanowią one ważną konsekwencję stanu nadpłynnego.

Matthew Norcia z Uniwersytetu w Innsbrucku w Austrii

W przypadku nadpłynnych kryształów, wiele jest jeszcze do odkrycia – nie wiadomo, czy można stworzyć większy i bardziej złożony układ.

Wyniki badań zostały opisane w Nature.