Википедија

Superčvrsto stanje

Superčvrsto stanje je prostorno uređeni materijal (koji je čvrst ili kristalan) sa superfluidnim svojstvima. Slično superfluidu, superčvrsta materija ima sposobnost kretanja bez trenja ali zadržava čvrst oblik. Mada je superčvrsta supstanca čvrsta materija, ona ispojava znatan broj karakteristika koje je razdvajaju od drugih čvrstih materija, te je mnogi smatraju zasebnim stanjem materije.

U fizici kondenzovane materije superčvrsto telo je prostorno raspoređen materijal sa svojstvima superfluida. U slučaju helijuma-4, od 1960-ih se pretpostavljalo da je moguće stvoriti superčvrsto telo [1]. Od 2017. konačni dokazi o postojanju ovog stanja pruženi su u nekoliko eksperimenata koji su koristili atomske Boze-Ajnšajnove kondenzate [2].

Pozadina uredi

Supersolid je posebno kvantno stanje materije u kojem čestice formiraju krutu, prostorno raspoređenu strukturu, ali takođe teku i pri nultom viskozitetu. Ovo je u suprotnosti sa intuicijom da je protok, a posebno u toku superfluida nulte viskoznosti, svojstvo isključivo fluidnog stanja, na primer, superprovodnih elektrona i neutronskih tečnosti, gasova sa Boze-Ajnštajnovim kondenzatom ili nekonvencionalnih tečnosti poput helijuma -4 ili helijuma -3 na dovoljno niskoj temperaturi. Više od 50 godina nije bilo jasno može li postojati superčvrsto stanje [3]

Eksperimenti sa upotrebom helijuma uredi

Iako je nekoliko eksperimenata dalo negativne rezultate, 1980-ih godina Džon Goodkind je ultrazvukom otkrio prvu anomaliju u čvrstom stanju [4]. Inspirisani svojim zapažanjima 2004. godine, Jun-Song Kim i Državni univerzitet Mozes Čan u Pensilvaniji uočili su pojave koje su se tumačile kao superčvrsto ponašanje[5] . Konkretno, posmatrali su neklasičan moment inercije [6] torzionog oscilatora. Ovo zapažanje nije se moglo objasniti klasičnim modelima, ali je bilo u skladu sa ponašanjem nalik na tečnost u malom procentu atoma helijuma sadržanih u oscilatoru.

Ova pobuda podstakla je niz naknadnih studija da otkriju ulogu defekata ili nečistoća kristala helijuma-3. Dalji eksperimenti, međutim, bacaju sumnju na postojanje pravog supersolida helijuma. Ono što je najvažnije, pokazalo se da se posmatrani fenomeni mogu u velikoj meri objasniti kao rezultat promena elastičnih svojstava helijuma [7]. 2012. godine Čan je ponovio svoje originalne eksperimente sa novim aparatom dizajniranim da eliminiše sve takve doprinose. U ovom eksperimentu, Čan i njegovi koautori nisu pronašli dokaze o superčvrstom materijalu [8].

Eksperimenti sa ultra hladnim kvantnim gasovima uredi

2017. dve istraživačke grupe iz ETH Zurich i MIT prijavile su stvaranje ultra hladnog kvantnog gasa sa superčvrstim svojstvima. Ciriška grupa je postavila Boze-Ajnštajnov kondenzat unutar dva optička rezonatora, što je poboljšalo atomske interakcije sve dok se spontano nisu kristalizovali da bi formirali čvrstu supstancu koja održava Boze-Ajnštajnovom kondenzatu inherentnu superfluidnost [9][10]. Ova postavka ostvaruje poseban oblik superčvrstog materijala, superčvrste rešetke, gde su atomi vezani za mesta spolja nametnute rešetkaste strukture. Tim MIT-a izložio je Boze-Ajnšatjnov kondenzat dvostruko većem potencijalu svetlosnih zraka, stvarajući efikasno spajanje u orbiti. Interferencija između atoma dve rotirajuće orbite sa stopljenim rešetkama dovela je do povećane modulacije karakteristične gustine [11] [12].

Godine 2019. tri grupe iz Štutgarta, Firence i Innsbruka primetile su superčvrsta svojstva u dipolnim kondenzatima Boze -Ajnštajnovog kondenzata [13] formiranim atomima lantanoida. U ovim sistemima supersolidacija nastaje direktno iz atomskih interakcija, bez potrebe za spoljnom optičkom rešetkom. Ovo je olakšano direktnim pobuđivanjem superfluidnog toka, a time i konačnim dokazom postojanja superčvrstog stanja materije. [14][15]

Teorija uredi

U većini teorija ovog stanja, pretpostavlja se da praznine - praznine koje obično zauzimaju čestice u idealnom kristalu - vode do superčvrstog materijala. Ove praznine uzrokuje energija nulte tačke, koja ih takođe dovodi do pomeranja sa mesta na mesto poput talasa. Budući da su praznine bozoni, ako takvi slobodni oblaci mogu postojati na vrlo niskim temperaturama, tada se Bose-Ajnštajnova kondenzacija slobodnog prostora može pojaviti na temperaturama manjim od nekoliko desetina Kelvina. Koherentni protok slobodnog prostora ekvivalentan je "super protoku" (protoku bez trenja) čestica u suprotnom smeru. Uprkos prisustvu gasa na slobodnim mestima, održava se uređena struktura kristala, iako se u proseku nalazi manje od jedne čestice sa svake strane rešetke. Alternativno, superčvrsto telo može da se izvede iz superfluida. U ovoj situaciji, koja se realizuje u eksperimentima sa atomskim Boze-Ajnštajnovim kondenzatom , prostorno raspoređena struktura je modulacija na vrhu raspodele gustine.

Izvori uredi

  1. ^ Chester, G. V. (1970-07-01). „Speculations on Bose-Einstein Condensation and Quantum Crystals”. Physical Review A (na jeziku: engleski). 2 (1): 256—258. ISSN 0556-2791. doi:10.1103/PhysRevA.2.256. 
  2. ^ Donner, Tobias (2019-04-03). „Dipolar Quantum Gases go Supersolid”. Physics (na jeziku: engleski). 12: 38. ISSN 1943-2879. doi:10.1103/Physics.12.38. 
  3. ^ Balibar, Sebastien (2010). „The enigma of supersolidity”. Nature (na jeziku: engleski). 464 (7286): 176—182. ISSN 0028-0836. doi:10.1038/nature08913. 
  4. ^ Chalmers, Matthew (2007). „The quantum solid that defies explanation”. Physics World. 20 (5): 22—26. ISSN 0953-8585. doi:10.1088/2058-7058/20/5/32. 
  5. ^ Kim, E.; Chan, M. H. W. (2004). „Probable observation of a supersolid helium phase”. Nature (na jeziku: engleski). 427 (6971): 225—227. ISSN 0028-0836. doi:10.1038/nature02220. 
  6. ^ Leggett, A. J. (1970-11-30). „Can a Solid Be "Superfluid"?”. Physical Review Letters (na jeziku: engleski). 25 (22): 1543—1546. ISSN 0031-9007. doi:10.1103/PhysRevLett.25.1543. 
  7. ^ Day, James; Beamish, John (2007). „Low-temperature shear modulus changes in solid 4He and connection to supersolidity”. Nature (na jeziku: engleski). 450 (7171): 853—856. ISSN 0028-0836. doi:10.1038/nature06383. 
  8. ^ Voss, David (2012-10-08). „Supersolid Discoverer’s New Experiments Show No Supersolid”. Physics (na jeziku: engleski). 5: 111. ISSN 1943-2879. doi:10.1103/Physics.5.111. 
  9. ^ Chanson, Mathieu; Bogner, Andreas; Bilgeri, Dominik; Fleisch, Elgar; Wortmann, Felix (2019). „"Blockchain for the IoT: Privacy-Preserving Protection of Sensor Data"”. Journal of the Association for Information Systems: 1272—1307. ISSN 1536-9323. doi:10.17705/1jais.00567. 
  10. ^ Léonard, Julian; Morales, Andrea; Zupancic, Philip; Esslinger, Tilman; Donner, Tobias (2017-03-02). „Supersolid formation in a quantum gas breaking a continuous translational symmetry”. Nature (na jeziku: engleski). 543 (7643): 87—90. ISSN 0028-0836. doi:10.1038/nature21067. 
  11. ^ „MIT Researchers Create Coatings to Prevent Pipeline Clogging”. Focus on Powder Coatings. 2017 (5): 5. 2017. ISSN 1364-5439. doi:10.1016/j.fopow.2017.05.029. 
  12. ^ Li, Jun-Ru; Lee, Jeongwon; Huang, Wujie; Burchesky, Sean; Shteynas, Boris; Top, Furkan Çağrı; Jamison, Alan O.; Ketterle, Wolfgang (2017-03-02). „A stripe phase with supersolid properties in spin–orbit-coupled Bose–Einstein condensates”. Nature (na jeziku: engleski). 543 (7643): 91—94. ISSN 0028-0836. doi:10.1038/nature21431. 
  13. ^ Donner, Tobias (2019-04-03). „Dipolar Quantum Gases go Supersolid”. Physics. 12. ISSN 1943-2879. doi:10.1103/physics.12.38. 
  14. ^ Guo, Mingyang; Böttcher, Fabian; Hertkorn, Jens; Schmidt, Jan-Niklas; Wenzel, Matthias; Büchler, Hans Peter; Langen, Tim; Pfau, Tilman (2019-10-17). „The low-energy Goldstone mode in a trapped dipolar supersolid”. Nature (na jeziku: engleski). 574 (7778): 386—389. ISSN 0028-0836. doi:10.1038/s41586-019-1569-5. 
  15. ^ Tanzi, L.; Roccuzzo, S. M.; Lucioni, E.; Famà, F.; Fioretti, A.; Gabbanini, C.; Modugno, G.; Recati, A.; Stringari, S. (2019-10-17). „Supersolid symmetry breaking from compressional oscillations in a dipolar quantum gas”. Nature (na jeziku: engleski). 574 (7778): 382—385. ISSN 0028-0836. doi:10.1038/s41586-019-1568-6. 
Preuzeto iz „https://sr.wikipedia.org/w/index.php?title=Суперчврсто_стање&oldid=27019533”