Вещество, ведущее себя одновременно как твердое и сверхтекучее тело, кажется невозможным. И тем не менее, более 50 лет назад физики предсказали, что квантовая механика допускает такое состояние, при котором частицы обладают несовместимыми свойствами. С тех пор ученые смогли стать свидетелями различных аспектов сверхтекучести твердых тел, но непосредственно наблюдать определяющее свойство сверхтекучести — квантовые вихри — не удавалось.

Команда физиков из Университета Инсбрука получила квантовые вихри во вращающемся двухмерном сверхтекучем твердом теле, подтвердив, наконец, безвихревое сверхтекучее движение в сверхтекучем твердом теле. Это важный шаг в изучении модулированного квантового вещества, пишет Science Daily.

Ученые соединили теоретические модели с самыми современными методами проведения экспериментов, чтобы получить и наблюдать вихри в диполярных сверхтекучих твердых телах. Несколько лет назад они разработали метод создания двухмерного сверхтекучего тела в ультрахолодном газе атомов эрбия. Следующим шагом стал поиск возможности перемешать сверхтекучее твердое тело, не нарушая его хрупкого состояния. Для этого были задействованы магнитные поля.

Поскольку жидкости вращаются не так, как твердые тела, перемешивание привело к образованию квантовых вихрей — гидродинамического признака сверхтекучести.

Более того, эксперимент занял почти год и раскрыл существенные отличия между динамиками вихрей в сверхтекучих твердых телах и немодулированных квантовых жидкостях. Результаты помогают лучше понять принципы сосуществования и взаимодействия сверхтекучих и твердых свойств вещества в экзотическом квантовом состоянии.

«Наше исследование открывает путь к изучению гидродинамических свойств экзотических квантовых систем с множественными нарушениями симметрии: квантовых кристаллов и даже нейтронных звезд, — сказал Томас Бланд, один из руководителей проекта. — К примеру, предполагается, что изменение скорости вращения нейтронных звезд — так называемые глитчи — вызваны сверхтекучими вихрями, пойманными внутри нейтронных звезд. Наша платформа открыла возможность моделирования таких феноменов здесь, на Земле. Кроме того, считается, что сверхтекучие вихри имеются и в сверхпроводниках, которые могут проводить электричество без потерь».

Английские физики создали новую экспериментальную платформу для моделирования черной дыры — огромный квантовый вихрь в сверхтекучем гелии, охлажденном до самых низких температур. Наблюдения за волновой динамикой на поверхности жидкости показали, что квантовые торнадо повторяют квантовые условия вблизи вращающихся черных дыр.