Glavni Novice Fiziki dajejo čudni novi fazi materije dodatno dimenzijo

Fiziki dajejo čudni novi fazi materije dodatno dimenzijo

Umetnik

Umetniški vtis o supertrdini, ki je kot trdna snov in tekočina hkrati. (Zasluge za sliko: IQOQI Innsbruck/Harald Ritsch)

Fiziki so ustvarili prvo dvodimenzionalno supertrdno snov - bizarnofaza snoviki se hkrati obnaša kot trdna snov in tekočina brez trenja.

Supertrdne snovi so materiali, katerih atomi so urejeni v pravilno, ponavljajočo se kristalno strukturo, vendar lahko tečejo večno, ne da bi pri tem izgubili kakršno koli kinetično energijo. Kljub njihovim nenavadnim lastnostim, za katere se zdi, da kršijo številne znane fizikalne zakone, so jih fiziki že dolgo teoretično napovedovali - prvič so se kot predlog pojavile v delu fizika Eugena Grossa že leta 1957.

Zdaj so fiziki z uporabo laserjev in zelo ohlajenih plinov končno pripravili supertrdno snov v 2D strukturo, kar je napredek, ki bi lahko znanstvenikom omogočil razbiti globljo fiziko za skrivnostnimi lastnostmi faze čudne snovi.

Sorodno: 12 osupljivih eksperimentov kvantne fizike

Za raziskovalce je še posebej zanimivo, kako se bodo njihove 2D supertrdne snovi obnašale, ko se bodo vrtele v krogu, skupaj z majhnimi majhnimi vrtinci ali vrtinci, ki se bodo pojavili v njih.

'Pričakujemo, da se bomo lahko veliko naučili od preučevanja rotacijskih nihanj, na primer, kot tudi vrtincev, ki lahko obstajajo v 2D sistemu veliko lažje kot v 1D,' glavni avtor Matthew Norcia, fizik na Inštitutu za kvantno univerzo v Innsbrucku. Optics and Quantum Information (IQOQI) v Avstriji, je v elektronski pošti povedal Live Science.

Da bi ustvarili svojo supertrdno snov, je ekipa suspendirala oblakdisprozij-164 atomov znotraj optične pincete, preden se atomi ohladijo na tik nad ničloKelvin(minus 459,67 stopinj Fahrenheita ali minus 273,15 stopinj Celzija) z uporabo tehnike, imenovane lasersko hlajenje.

Izstrelitev laserja na plin ga običajno segreje, a če fotoni (delci svetlobe) v laserskem žarku potujejo v nasprotni smeri od premikajočih se delcev plina, lahko dejansko povzročijo upočasnitev in ohlajanje delcev plina. Potem ko so atome disprozija z laserjem ohladili, kolikor so lahko, so raziskovalci zrahljali 'prijem' svoje optične pincete in ustvarili ravno dovolj prostora, da lahko najbolj energični atomi pobegnejo.

Ker se 'toplejši' delci tresljajo hitreje od hladnejših, je ta tehnika, imenovana hlajenje z izhlapevanjem, pustila raziskovalcem samo njihove preohlajene atome; in ti atomi so bili preoblikovani v novo fazo snovi - aBose-Einsteinov kondenzat: zbirka atomov, ki so bili super ohlajeni na širino lasabsolutna ničla.

Ko se plin ohladi na skoraj ničelno temperaturo, vsi njegovi atomi izgubijo energijo in preidejo v enaka energijska stanja. Ker lahko med sicer identičnimi atomi v plinskem oblaku razlikujemo le, če pogledamo njihove energijske ravni, ima to izenačevanje velik učinek: nekoč raznovrsten oblak vibrirajočih, majajočih se trkajočih se atomov, ki sestavljajo toplejši plin, nato postane iz kvantnomehanskega vidika, popolnoma enaka.

To odpira vrata nekaterim resnično čudnim kvantne učinke . Eno ključno pravilo kvantnega obnašanja, Heisenbergovo načelo negotovosti, pravi, da ne morete z absolutno natančnostjo poznati tako položaja delca kot njegovega zagona. Toda zdaj, ko se atomi Bose-Einsteinovega kondenzata ne premikajo več, je ves njihov zagon znan. To vodi do tega, da položaji atomov postanejo tako negotovi, da mesta, ki bi jih morda lahko zasedli, postanejo večja kot prostori med samimi atomi.

Namesto diskretnih atomov torej prekrivajoči se atomi v mehki Bose-Einsteinovi kondenzacijski krogli delujejo, kot da so samo en ogromen delec. To daje nekaterim Bose-Einsteinovim kondenzatom lastnost superfluidnosti, kar omogoča, da njihovi delci tečejo brez kakršnega koli trenja. Pravzaprav, če bi mešali vrč supertekočega Bose-Einsteinovega kondenzata, se ne bi nikoli nehal vrtinčiti.

Raziskovalci so uporabili disprozij-164 (izotop disprozija), ker je (poleg svojega soseda v periodnem sistemu holmija) najbolj magneten od vseh odkritih elementov. To pomeni, da so se atomi disprozija-164, ko so bili prehlajeni, poleg tega, da so postali superfluid, tudi združili v kapljice, ki so se zlepile druga na drugo kot majhni paličasti magneti.

Norcia je dejal, da je ekipa s skrbnim prilagajanjem ravnotežja med magnetnimi interakcijami dolgega dosega in kontaktnimi interakcijami kratkega dosega med atomi uspela izdelati dolgo, enodimenzionalno cev kapljic, ki je vsebovala tudi prosto tekoče atome – 1D supertrdno telo. . To je bilo njihovo prejšnje delo.

Da bi naredili preskok iz 1D v 2D supersolid, je ekipa uporabila večjo past in zmanjšala intenzivnost njihovih optičnih pincetnih žarkov v dveh smereh. To jim je poleg ohranjanja dovolj atomov v pasti za ohranitev dovolj visoke gostote končno omogočilo, da ustvarijo cik-cak strukturo kapljic, podobno dvema zamaknjenima 1D cevema, ki sedita ena poleg druge, 2D supertrdna snov.

Z nalogo njegovega ustvarjanja za seboj želijo fiziki zdaj uporabiti svojo 2D supertrdno snov za preučevanje vseh lastnosti, ki izhajajo iz te dodatne dimenzije. Načrtujejo na primer preučevanje vrtincev, ki se pojavijo in so ujeti med kapljice niza, še posebej, ker se ti vrtinci vrtinčastih atomov, vsaj v teoriji, lahko večno vrtijo.

S tem so raziskovalci še korak bližje razsutemu, 3D, supertrdnim snovem, ki so jih predvidevali zgodnji predlogi, kot je Grossov, in še več tujih lastnosti, ki jih morda imajo.

Raziskovalci so svoje ugotovitve objavili 18. avgusta v reviji Narava (odpre se v novem zavihku).

Zanimivi Članki