Fizika kvantinė vis dar geba nustebinti net labiausiai patyrusius mokslininkus. Kraštutinėmis sąlygomis materija elgiasi taip, kad tai visiškai prieštarauja mūsų kasdienei patirčiai – ji gali tekėti be pasipriešinimo arba sudaryti struktūras, kurios atrodo tiesiog neįmanomos. Visai neseniai mokslininkams pavyko stebėti ir, kas dar svarbiau, kontroliuoti dar vieną iš tokių egzotinių materijos būsenų. Šis pasiekimas ne tik praplečia mūsų fundamentalių žinių ribas, bet ir verčia iš naujo klausti, kur baigiasi kvantinės inžinerijos galimybės.
Kolumbijos universiteto ir Teksaso universiteto Ostine mokslininkų komandai pavyko padaryti tai, kas dar neseniai atrodė beveik neįgyvendinama laboratorinėmis sąlygomis. Jiems pasisekė paversti nadcieklius eksitonus į vadinamąją nadstačią (supersolidinę) būseną ir vėliau šį procesą atgręžti – grąžinti sistemą į pradinę būseną. Esminis šio eksperimento bruožas tas, kad fazių virsmas įvyko savaime, be išorinių laukų ar sudėtingų papildomų poveikių. Toks spontaniškas fazės perėjimas atveria naują skyrių kondensuotųjų kūnų fizikoje.
Eksperimentas ekstremaliomis sąlygomis: grafenas, galingi magnetai ir beveik absoliutus nulis
Norėdami pasiekti ir ištirti šią neįprastą būseną, mokslininkai turėjo sukurti aplinką, primenančią kosminę tuštumą. Pagrindinis elementas buvo dvi itin plonos grafeno sluoksniuotės – vieno atomo storio anglies sluoksniai, sudarantys korio (plastra miodu) struktūrą. Šį dvigubą grafeno sluoksnį tyrėjai patalpino į galingą 29 teslų magnetinį lauką ir atšaldė iki maždaug 1,5–4 Kelvino virš absoliutaus nulio, tai yra iki maždaug –270 °C.
Tokiomis sąlygomis medžiagoje formuojasi eksitonai – tai elektronų ir jų paliktų „skylių“ poros. Šios kvazidalelės perneša energiją ir yra ypač lengvos, todėl kvantinius reiškinius jos geba demonstruoti aukštesnėse temperatūrose, nei paprastai reikia klasikiniams superfluidumo tyrimams su helio atomais.
Paradoksas laboratorijoje: kada nadciektis staiga nustoja tekėti
Nadciekumas – tai būsena, kurioje medžiaga visiškai praranda klampą. Jei tokia medžiaga kartą pradedama judėti, ji, teoriškai, turėtų tekėti be galo, kas ir pastebima stabiliose kvantiniuose sūkuriuose. Ši savybė susijusi su Bose–Einsteino kondensacija, kai daugybė dalelių ima elgtis kaip viena kvantinė banga.
Eksperimento metu mokslininkai užfiksavo netikėtą reiškinį: toliau mažinant temperatūrą, nadcieklių eksitonų srautas tiesiog sustojo. Dalelės išsidėstė tvarkingu, kristalą primenančiu raštu, tačiau neprarado visų nadciekčiai būdingų kvantinių savybių. Būtent tokia hibridinė būsena vadinama nadstačia (supersolidine) būsena.
Nadstatiška būsena: tarsi kristalas, kuris sugeba tekėti
Nadstačioji būsena sujungia dvi iš pirmo žvilgsnio nesuderinamas savybes. Viena vertus, medžiaga sudaro tvarkingą ir standžią kristalinę gardelę. Kita vertus, joje išlieka bepasipriešinimo tekėjimo galimybė ir kvantinių sūkurių formavimosi reiškiniai. Teoriniai modeliai jau seniai leido manyti, kad tokia fazė turėtų egzistuoti, tačiau ankstesni bandymai ją sukurti reikalavo stipraus išorinio poveikio – „priverstinio“ struktūros formavimo.
Šiuo atveju nadstatiška fazė susidarė savaime kaip taip vadinama izoliuojančioji fazė, kurią stabilizavo stiprūs dipoliniai sąveikiai tarp eksitonų. Įdomu tai, kad vos truputį padidinus temperatūrą, šis izoliuojantis kristalinis raštas „ištirpo“, o sistema vėl virto nadciektimi. Tai rodo, kad tvarkinga, žemos temperatūros fazė išlaikė kvantinę koherenciją – vidinį banginės būsenos vientisumą, kuris yra vienas pagrindinių būsimos kvantinės technologijos tikslų.
Elektrinė dvilypystė: ta pati medžiaga, dvi skirtingos elgsenos
Išmatuotos elektrinės savybės atskleidė dar vieną šios sistemos keistenybę. Kai eksitonai buvo nadcieklio būsenoje, medžiaga rodė didelį laidumą vienoje matavimo konfigūracijoje, tačiau kitoje ji elgėsi tarsi izoliatorius. Perėjus į nadstatišką būseną, abiejose konfigūracijose laidumas nukrito iki nulio – medžiaga tapo idealiu izoliatoriumi, nors jos vidinė kvantinė struktūra liko suderinta ir koherentinga.
Toks elektrinių savybių dvilypumas, esant iš esmės tai pačiai kvantinei būsenai, yra itin intriguojantis. Jis taip pat parodo praktinį darbų su eksitonais privalumą: dėl mažesnės jų efektyvios masės egzotinius materijos būvius galima tirti šiek tiek „švelnesnėmis“ sąlygomis, nei reikalautų žymiai masyvesnės dalelės – nors temperatūros vis tiek išlieka ekstremaliai žemos.
Ateities perspektyvos: kur gali nuvesti nadstatiškų būsenų tyrimai
Šis „Nature“ publikacijoje aprašytas atradimas greičiau yra naujos krypties pradžia, o ne galutinis tikslas. Dabar tyrėjai siekia tiksliai nustatyti izoliuojančios nadstatiškos fazės ribas ir kuria naujus matavimo metodus, kurie leistų dar giliau pažvelgti į jos vidinę struktūrą.
Kitas svarbus uždavinys – rasti kitų medžiagų, galinčių spontaniškai pereiti į panašias nadstatiškas būsenas be itin stiprių magnetinių laukų. Tai būtina, jei kada nors norėsime praktinių tokios materijos formos pritaikymų.
Gilesnis šių egzotinių fazių supratimas ateityje galėtų prisidėti prie kvantinių kompiuterių kūrimo ar itin jautrių jutiklių vystymo. Tačiau nuo dabartinių laboratorinių eksperimentų, vykstančių beveik absoliutaus nulio sąlygomis, iki realios technologijos dar laukia ilgas kelias. Kol kas belieka įvertinti šio eksperimento eleganciją, kuris materializuoja vieną iš konceptualių fizikos paradoksų ir dar kartą parodo, kad gamta vis dar moka mus nustebinti.
