Квантовые вихри заставили супертвёрдое тело вращаться синхронно

Квантовые вихри — крошечные водовороты в квантовой жидкости — вызывают синхронизацию прецессии и вращения кристаллической структуры сверхтекучей жидкости. Автор: Андреа Литвинов

Супертвёрдое тело — это парадоксальное состояние материи: оно обладает жёсткостью кристалла, но течёт без трения, как сверхтекучая жидкость. Эта экзотическая форма квантовой материи была реализована лишь недавно в дипольных квантовых газах.

Исследователи под руководством Франчески Ферлаино решили изучить, как твёрдые и сверхтекучие свойства супертвёрдого тела взаимодействуют, особенно при вращении. Исследование опубликовано в журнале Nature Physics.

В своих экспериментах они вращали супертвёрдый квантовый газ с помощью тщательно контролируемого магнитного поля и наблюдали поразительное явление.

«Квантовые капли супертвёрдого тела находятся в периодическом кристаллическом порядке, все они окружены сверхтекучей жидкостью», — объясняет Франческа Ферлаино.

«Каждая капля прецессирует, следуя вращению внешнего магнитного поля; они все вращаются коллективно. Когда в систему входит вихрь, прецессия и вращение начинают синхронно вращаться».

«Что нас удивило, так это то, что кристалл супертвёрдого тела вращался не просто хаотично», — говорит Елена Поли, руководившая теоретическим моделированием. «Как только формировались квантовые вихри, вся структура попадала в ритм с внешним магнитным полем — как будто природа находила свой собственный бит».

Андреа Литвинов, проводивший эксперименты, добавляет: «Было захватывающе видеть, как данные внезапно совпадают с теорией. Был момент, когда система просто "попадала в ритм"».

Новый зонд для квантовой материи

Синхронизация — это когда две или более систем попадают в ритм друг с другом. Это распространено в природе — как маятниковые часы, тикающие в унисон, светлячки, мигающие вместе, или клетки сердца, бьющиеся в такт. Команда из Инсбрука показала, что даже экзотическая квантовая материя может синхронизироваться.

Открытие не только углубляет понимание этого необычного состояния материи, но и предлагает мощный новый способ исследования квантовых систем. Отслеживая синхронизацию, команда смогла определить критическую частоту, при которой появляются вихри — фундаментальное свойство вращающихся квантовых жидкостей, которое было трудно измерить напрямую.

Команда объединила передовое моделирование с деликатными экспериментами на ультрахолодных атомах диспрозия, охлаждённых до миллиардных долей градуса выше абсолютного нуля. Используя технику под названием «магнитное перемешивание», они смогли вращать супертвёрдое тело и захватывать его эволюцию с высокой точностью.

От лаборатории к космосу

Результаты могут иметь значение за пределами лаборатории. Считается, что аналогичная динамика вихрей играет роль во внезапных «сбоях», наблюдаемых в нейтронных звёздах — одних из самых плотных объектов во Вселенной.

«Супертвёрдые тела — это идеальная площадка для изучения вопросов, которые в противном случае недоступны», — говорит Поли. «Хотя эти системы создаются в лабораторных ловушках микрометрового размера, их поведение может отражать явления космических масштабов».

«Эта работа стала возможной благодаря тесному сотрудничеству между теорией и экспериментом — и творчеству молодых исследователей в нашей команде», — говорит руководитель группы Франческа Ферлаино из Департамента экспериментальной физики Университета Инсбрука и Института квантовой оптики и квантовой информации (IQOQI) Австрийской академии наук (ÖAW).

Исследование проводилось в партнёрстве с Центром Питаевского BEC Университета Тренто.

Больше информации: Synchronization in rotating supersolids, Nature Physics (2025). DOI: 10.1038/s41567-025-03065-7

Источник: University of Innsbruck