І тверде, і рідке: фізики вперше довели подвійну природу дивного стану матерії

Фізикам уперше вдалося успішно розмішати дивну речовину під назвою надтекуче тверде тіло, яке одночасно тверде і рідке. Таким чином вчені отримали перші прямі докази подвійної природи незвичайного стану матерії. Дослідження опубліковано в журналі Nature, пише ScienceAlert.

У Фокус. Технології з'явився свій Telegram-канал. Підписуйтесь, щоб не пропускати найсвіжіші та найзахопливіші новини зі світу науки!

Екзотичні стани матерії

Наразі фізикам відомо про існування чотирьох станів матерії: твердий, рідкий, газоподібний і плазма. Учені вже давно вивчають екзотичні стани матерії, які створюються під час охолодження речовини до температур, близьких до абсолютного нуля, тобто мінус 273,15 градуса Цельсія.

У таких умовах матерія починає поводитися дивним чином. Рідина або газ можуть відчувати більший чи менший опір течії, який вимірюється в'язкістю. Надтекучі рідини мають нульову в'язкість, адже у них немає опору і вони течуть вільно. Якщо взяти надплинну рідину і розмішати її в чашці, то вона буде текти нескінченно.

Надтекуче тверде тіло

Водночас існує такий екзотичний стан матерії, як надтекучі тверді тіла. Така речовина має властивості як твердого тіла, так і надплинної рідини. Частина атомів цієї речовини тече без тертя через решітку жорсткої кристалічної структури. Раніше фізики вже спостерігали ці кристалічні структури всередині надплинних твердих тіл. Але ще ніколи не вдавалося напряму побачити, як тече ця речовина. До нового дослідження вчених.

Учені створили довгоживуче двовимірне надплинне надтекуче тверде тіло шляхом охолодження окремих атомів і молекул до майже абсолютного нуля. Потім вони змогли розмішати надплинне тверде тіло і побачили крихітні вири, які називаються квантованими вихорами. Саме вони стали доказом надплинності.

"Квантовий сир"

Як пояснення свого експерименту фізики наводять такий приклад. Уявіть, що ви злегка помішуєте каву в чашці. Рідина обертатиметься навколо і в середині чашки утвориться вир, де рідина закручується найшвидше. Таким чином це є прикладом вихору у звичайній рідині.

Уявіть, що в чаші міститься надтекуча рідина. У міру повільного помішування ложкою можна побачити, що надплинна рідина взагалі не обертається і залишається нерухомою. Якщо ж помішувати надплинну рідину швидше, то виникне не один великий вир у центрі чашки, а багато крихітних вирів. Це і є квантовані вихори.

Доказ подвійної природи надтекучих твердих тіл

За словами фізиків, такі вихори виникають на поверхні надтекучої рідини і складають регулярний візерунок, схожий на дірки в сирі, але більш ідеально розташовані. Фізики використовували магнітні поля для обертання надтекучого твердого тіла і перемішували його, щоб створити квантовані вихори. У результаті вони отримали перший прямий доказ подвійної природи такого стану матерії, як надтекуче тверде тіло.

Чому це важливо?

Учені вважають, що це досягнення дасть змогу створювати моделі фізичних явищ, які виникають лише в неймовірно екстремальному середовищі. Наприклад, у такий спосіб можна з'ясувати, що відбувається всередині нейтронних зірок. Це надзвичайно щільні залишки померлих масивних зірок, і їхній діаметр становить лише від 12 до 20 км. Фізики вважають, що зміна швидкості обертання нейтронних зірок спричинена надтекучими вихорами в їхніх надрах.

Як уже писав Фокус, фізики вважають, що спостереження за тим, як зникають екзотичні первинні чорні діри, дасть змогу виявити невідомі елементарні частинки. Таким чином це відкриває шлях до відкриття нової фізики і пояснення природи темної матерії.

Також Фокус писав про те, що китайські астронавти доставили на Землю з космосу зразки унікальних експериментів. Астронавти місії "Шеньчжоу-18" проводили на космічній станції "Тяньгун" експерименти з живими істотами і тестували нові технології.