Суперцврст материјал

Во физиката на кондензирана материја, суперсолид е просторно подреден материјал со својства на суперфлуид. Во случај на хелиум-4, од 1960-тите се претпоставуваше дека е можно да се создаде суперсолид. Почнувајќи од 2017 година, конечен доказ за постоењето на оваа состојба беше даден со неколку експерименти со употреба на атомски Бозе-Ајнштајнови кондензати . Општите услови потребни за суперсолидност да се појави во одредена супстанција се тема на тековно истражување.
1 Заднина
Суперсолид е посебна квантна состојба на материјата каде што честичките формираат крута, просторно подредена структура, но исто така течат со нула вискозност . Ова е во спротивност со интуицијата дека протокот, и особено во протокот на суперфлуиди со нула вискозност, е својство исклучиво на состојбата на флуидот, на пр., суперспроводливи електрони и неутронски течности, гасови со Бозе-Ајнштајновите кондензати, или неконвенционални течности како хелиум-4 или хелиум-3 на доволно ниска температура. Повеќе од 50 години беше нејасно дали суперсолидната состојба може да постои.
2 Експерименти со употреба на хелиум
Додека неколку експерименти дадоа негативни резултати, во 1980-тите години, Џон Гудкинд ја откри првата аномалија во цврста состојба со помош на ултразвук . Инспирирани од неговото набљудување, во 2004 година, Јун-Сонг Ким и Мозес Чан на Државниот универзитет во Пенсилванија видоа феномени кои се беа толкувани како суперсолидно однесување. Поточно, тие забележале некласичен вртежен момент на инерција на торзионен осцилатор. Ова набљудување не може да се објасни со класични модели, но беше во согласност со однесувањето слично на суперфлуид, кај мал процент од атомите на хелиум содржани во осцилаторот.
Ова набудување предизвика голем број на последователни студии за да се открие улогата на кристалните дефекти или нечистотиите на хелиум-3. Понатамошното експериментирање, сепак, фрли сомнеж во постоењето на вистински суперсолид во хелиумот. Што е најважно, се покажа дека набљудуваните феномени можат во голема мера да се објаснат како резултат на промените во еластичните својства на хелиумот. Во 2012 година, Чан ги повтори своите оригинални експерименти со нов апарат кој беше дизајниран да ги елиминира сите такви придонеси. Во овој експеримент, Чан и неговите соавтори не најдоа докази за суперсолидност.
3 Експерименти со употреба на ултра ладни квантни гасови
Во 2017 година, две истражувачки групи од ЕТХ Цирих и од МИТ известија за создавање на ултра ладен квантен гас со суперсолидни својства. Групата од Цирих постави Бозе-Ајнштајнов кондензат внатре во два оптички резонатори, што ги подобруваше атомските интеракции сè додека не почнаа спонтано да се кристализираат и да формираат цврста материја што ја одржува својствената суперфлуидност на кондензатот Бозе-Ајнштајн. Оваа поставка реализира посебна форма на суперсолид, т.н суперсолидна решетка, каде што атомите се прицврстени на местата на надворешно наметнатата структура на решетката. Групата МИТ го изложи Бозе-Ајнштајновиот кондензат во двојно добар потенцијал на светлосни зраци што создаде делотворна спојка на вртечка-орбита. Интерференцијата помеѓу атомите на двете вртечки-орбити со споени решетки, доведе до зголемена карактеристична модулација на густина.
Во 2019 година, три групи од Штутгарт, Фиренца и Инсбрук забележале суперсолидни својства во диполарните кондензати на Бозе и Ајнштајн формирани од атоми на лантаноид. Во овие системи, суперсолидноста произлегува директно од атомските интеракции, без потреба од надворешна оптичка решетка. Ова го олесни и директното набудување на протокот на суперфлуид и оттаму, дефинитивниот доказ за постоењето на суперсолидната состојба на материјата.
4 Теорија
Во повеќето теории на оваа состојба, се претпоставува дека празнините - празни места вообичаено зафатени од честички во идеален кристал - доведуваат до суперсолидност. Овие празнини се предизвикани од енергија со нулта точка, што исто така предизвикува тие да се движат од место до место како бранови . Бидејќи празнините се бозони, ако такви облаци на слободни места можат да постојат на многу ниски температури, тогаш Бозе-Ајнштајновата кондензација на слободните места може да се појави на температури помалку од неколку десетини од Келвин. Кохерентен проток на слободни места е еквивалентен на "супер проток" (проток без триење) на честички во спротивна насока. И покрај присуството на гас на слободни работни места, подредената структура на кристал е одржана, иако во просек има помалку од една честичка на секоја страна од решетка. Алтернативно, суперсолид може да произлезе и од суперфлуид. Во оваа ситуација, што се реализира во експериментите со атомски кондензатна Бозе и Ајнштајн, просторно подредената структура е модулација на врвот на дистрибуцијата на густината на суперфлуидот.
5 Поврзано
* Суперфлуиден филм
* Супер стакло