Các nhà vật lý đã tạo ra vật liệu siêu rắn hai chiều đầu tiên – kỳ lạ giai đoạn lệnh Nó hoạt động giống như một chất lỏng rắn và không ma sát cùng một lúc.
Supersolids là vật liệu nguyên tử Chúng được sắp xếp theo một cấu trúc tinh thể lặp lại đều đặn, nhưng cũng có thể chảy mãi mãi mà không mất bất kỳ động năng nào. Bất chấp những tính chất đặc biệt của nó, dường như vi phạm nhiều định luật vật lý nổi tiếng, các nhà vật lý từ lâu đã đoán trước nó trên lý thuyết – nó xuất hiện lần đầu tiên như một gợi ý trong công trình nghiên cứu của nhà vật lý Eugene Gross vào đầu năm 1957.
Giờ đây, bằng cách sử dụng tia laser và khí cực mát, các nhà vật lý cuối cùng đã thành công trong việc biến đổi một siêu rắn thành một cấu trúc hai chiều, một tiến bộ có thể cho phép các nhà khoa học khám phá vật lý sâu hơn đằng sau các đặc tính bí ẩn của giai đoạn vật chất kỳ lạ.
Có liên quan: 12 thí nghiệm tuyệt vời trong vật lý lượng tử
Điều quan tâm đặc biệt đối với các nhà nghiên cứu là cách các siêu rắn hai chiều của chúng sẽ hoạt động như thế nào khi chúng được cuộn trong một vòng tròn, cùng với các xoáy cực nhỏ, hoặc xoáy, sẽ xuất hiện bên trong chúng.
Tác giả chính Matthew Norcia, một nhà vật lý tại Đại học cho biết: “Chúng tôi hy vọng sẽ có nhiều điều để học hỏi từ việc nghiên cứu các dao động quay, cũng như các xoáy có thể tồn tại trong một hệ thống 2D dễ dàng hơn nhiều so với chúng trong 1D”. của Viện lượng tử. Innsbruck Quang học và Thông tin lượng tử (IQOQI) ở Áo, cho Live Science trong một email.
Để tạo ra một siêu rắn, nhóm nghiên cứu đã treo một đám mây dysprosium-164 nguyên tử bên trong nhíp quang học trước khi làm lạnh các nguyên tử xuống chỉ trên 0 Kelvin (âm 459,67 độ F hoặc âm 273,15 độ C) bằng cách sử dụng công nghệ gọi là làm mát bằng laser.
Thông thường bắn tia laser vào chất khí sẽ làm nó nóng lên, nhưng nếu các photon (hạt ánh sáng) trong chùm tia laser chuyển động ngược hướng với các hạt khí chuyển động, chúng thực sự có thể làm cho các hạt khí chuyển động chậm lại và nguội đi. Sau khi làm lạnh các nguyên tử dysprosi hết mức có thể bằng tia laser, các nhà nghiên cứu đã nới lỏng “kẹp” nhíp quang học của họ, tạo đủ không gian cho các nguyên tử năng lượng hơn thoát ra ngoài.
Vì các hạt “ấm hơn” rung động nhanh hơn các hạt lạnh hơn, nên kỹ thuật này, được gọi là làm mát bay hơi, khiến các nhà nghiên cứu chỉ còn lại các nguyên tử siêu lạnh của chúng; Những nguyên tử này đã chuyển sang một giai đoạn mới của vật chất – A Bình ngưng Bose-Einstein: Một nhóm các nguyên tử siêu lạnh trong phạm vi của sợi tóc không tuyệt đối.
Khi một chất khí được làm lạnh đến nhiệt độ gần bằng không, tất cả các nguyên tử của nó sẽ mất năng lượng, chuyển sang trạng thái năng lượng giống nhau. Vì chúng ta có thể phân biệt giữa các nguyên tử tương tự trong một đám mây khí chỉ bằng cách nhìn vào mức năng lượng của chúng, nên phương trình này có ảnh hưởng sâu sắc: đám mây khác nhau bao gồm các nguyên tử rung, nhảy và va chạm tạo thành khí ấm hơn sau đó trở thành, từ một cơ học lượng tử. quan điểm, hoàn toàn giống hệt nhau.
Điều này mở ra cánh cửa cho một số điều thực sự kỳ lạ hiệu ứng định lượng. Một trong những quy tắc cơ bản của hành vi lượng tử, Nguyên lý Bất định Heisenberg, nói rằng bạn không thể biết vị trí và động lượng của một hạt với độ chính xác tuyệt đối. Tuy nhiên, sau khi các nguyên tử Bose-Einstein ngưng tụ ngừng chuyển động, tất cả động lượng của chúng đã được biết đến. Điều này làm cho vị trí của các nguyên tử trở nên không chắc chắn đến mức những nơi mà chúng có thể chiếm giữ có diện tích lớn hơn không gian giữa các nguyên tử.
Thay vì các nguyên tử riêng biệt, các nguyên tử xen vào trong quả cầu Bose-Einstein bí ẩn hoạt động như thể chúng chỉ là một hạt khổng lồ. Điều này mang lại cho một số tụ điện Bose-Einstein thuộc tính siêu lỏng – cho phép các phân tử của chúng chảy mà không có bất kỳ ma sát nào. Trên thực tế, nếu bạn di chuyển một ly chất lỏng siêu lỏng Bose-Einstein, nó sẽ không ngừng quay.
Các nhà nghiên cứu đã sử dụng dysprosi-164 (một đồng vị của dysprosi) vì (bên cạnh người hàng xóm của nó trong bảng tuần hoàn holmium) nó là nguyên tố có từ tính cao nhất trong số các nguyên tố được phát hiện. Điều này có nghĩa là khi các nguyên tử dysprosi-164 ở trạng thái siêu lạnh, ngoài việc trở nên siêu lỏng, chúng còn kết tụ với nhau thành giọt, dính vào nhau giống như nam châm thanh cực nhỏ.
Bằng cách “tinh chỉnh sự cân bằng giữa tương tác từ trường tầm xa và tương tác tiếp xúc tầm ngắn giữa các nguyên tử”, Norcia cho biết, nhóm đã có thể tạo ra một ống giọt dài, một chiều chứa các nguyên tử chảy tự do – a siêu rắn một chiều. . Đây là công việc trước đây của họ.
Để thực hiện bước nhảy từ siêu rắn 1D sang 2D, nhóm nghiên cứu đã sử dụng một cái bẫy lớn hơn và giảm cường độ chùm tia của nhíp quang học theo hai hướng. Điều này, kết hợp với việc giữ đủ nguyên tử trong bẫy để duy trì mật độ đủ cao, cuối cùng đã cho phép chúng tạo ra cấu trúc ziczac của các giọt, tương tự như hai ống đối diện 1D nằm cạnh nhau, trong một 2D siêu cứng.
Với nhiệm vụ tạo ra nó đằng sau chúng, các nhà vật lý hiện muốn sử dụng một siêu rắn hai chiều để nghiên cứu tất cả các đặc tính phát sinh từ sự hiện diện của chiều phụ này. Ví dụ, họ dự định nghiên cứu các xoáy xuất hiện và bị mắc kẹt giữa các giọt mảng, đặc biệt là vì những xoáy xoáy này của nguyên tử, ít nhất là trên lý thuyết, có thể quay mãi mãi.
Điều này cũng đưa các nhà nghiên cứu tiến gần hơn một bước đến các chất rắn ba chiều siêu kích thước được hình dung bởi các đề xuất ban đầu như Gross, và thậm chí cả những đặc tính kỳ lạ mà chúng có thể có.
Các nhà nghiên cứu đã công bố phát hiện của họ vào ngày 18 tháng 8 trên tạp chí Thiên nhiên.
Ban đầu được xuất bản trên Live Science.