Эта «вода» ‒ не замёрзнет или приключения квантов в абсолютном нуле.

Криостат используется для достижения температуры до 20 мК. Источник.

«Вода, которая просто не замёрзнет, какой бы холодной она ни была» ‒ квантовое состояние, которое можно описать таким образом, обнаружила исследовательская группа центра Гельмгольца в Дрездене-Россендорфе (HZDR).

Специалистам из Института физики твёрдого тела Токийского университета в Японии, Университета Джона Хопкинса в США и Института физики сложных систем имени Макса Планка (MPI-PKS) в Германии, удалось охладить специальный материал до температуры, близкой к абсолютному нулю.

Они обнаружили, что главное свойство атомов ‒ их централизованное расположение ‒ не «замерзает», как обычно, а остаётся в «жидком» состоянии. Квантовый материал с такими характеристиками может служить модельной системой для разработки новых высокочувствительных датчиков. 

Внешне квантовые материалы ничем не отличаются от обычных веществ, но внутри они совершенно другие: их электроны взаимодействуют друг с другом и с атомами кристаллической решётки с весьма необычной интенсивностью, которая порождает мощные квантовые эффекты. И самое приятное, что эти последствия проявляются не только в микро-, но и в макроскопическом масштабе.

Именно благодаря этим эффектам квантовые материалы обладают феноменальной электропроводностью ‒ совершенно без потерь даже при низких температурах. Также мы используем эти и другие замечательные их свойства, коренным образом изменяя поведение материала. Для этого ном зачастую нужно очень незначительно повлиять на температуру, давление или электрическое напряжение. И этого будет достаточно.

Наука научилась создавать и совершенствовать такие материалы, но среди природных веществ тоже есть представители «квантовой когорты». Это магниты, поскольку само их свойство магнетизма основано на собственном вращении электронов в материале.

«В некотором смысле эти спины могут вести себя как жидкость, ‒ объясняет профессор Йохен Восница из Дрезденской магнитной лаборатории высокого поля (HLD) в HZDR. ‒ По мере падения температуры, эти беспорядочные вращения могут замёрзнуть, подобно воде, превратившейся в лёд».

Например, некоторые виды магнитов, так называемые ферромагнетики, немагнитны выше их точки упорядочения или так называемого замерзания. Только когда они опускаются ниже него, они могут стать постоянными магнитами.

Материал высокой чистоты

Международная команда вознамерилась создать квантовое состояние, при котором выравнивание атомов, связанное со спинами, не упорядочено даже при сверхнизких температурах ‒ словно жидкость, что не затвердевает даже при сильном холоде. Для достижения этого состояния использовался специальный материал ‒ соединение элементов празеодима, циркония и кислорода. Учёные предположили, что в таком сочетании свойства кристаллической решётки позволят спинам электронов особым образом взаимодействовать с их орбиталями (области наиболее вероятного местонахождения электрона) в атоме.

«Однако необходимым условием было наличие кристаллов исключительной чистоты и качества», ‒ объясняет профессор Сатору Накацудзи из Токийского университета. Несколько попыток не увенчались успехом, но в конце концов команда смогла получить то, что хотела: в криостате, своего рода супер термосе, эксперты постепенно охлаждали свой образец до 20 милликельвинов ‒ это всего одна пятидесятая градуса выше абсолютного нуля.

Чтобы увидеть, как образец отреагировал на этот процесс охлаждения и внутри магнитного поля, они измерили, насколько изменилась его длина. В другом эксперименте группа зафиксировала реакцию кристалла на ультразвуковые волны, проходящие через него.

Интимное взаимодействие

«Если бы спины упорядочивались, это должно было вызвать резкое изменение поведения кристалла, например резкое изменение длины, ‒ поясняет доктор Сергей Жерлицын, эксперт HLD по ультразвуковым исследованиям. ‒ Однако, как мы заметили, ничего не произошло! Не было никаких внезапных изменений ни в длине, ни в реакции на ультразвуковые волны».

Вывод напрашивается сам собой: всё получилось. Ярко выраженное взаимодействие спинов и орбиталей предотвратило упорядочение, поэтому атомы остались в своём жидком квантовом состоянии; и такое состояние наблюдалось впервые. Дальнейшие исследования в магнитных полях подтвердили это предположение.

Несмотря на, вроде бы, чисто научное значение этого открытия, фундаментальность его вскоре может проявиться на практике. В этом уверен Йохен Восница: «В какой-то момент мы сможем использовать новое квантовое состояние для разработки высокочувствительных квантовых датчиков, ‒ размышляет он. ‒ Однако для этого нам ещё нужно выяснить, как систематически генерировать возбуждения в этом состоянии».

Но идеи применения своего детища исследователи уже набросали. Так, например, их материал, в случае решения вопроса управления им, весьма и весьма пригодится в сфере квантового зондирования, которое считается многообещающей «технологией из будущего». Квантовые датчики могут регистрировать магнитные поля или температуры с гораздо большей точностью, чем обычные макротехнические сенсоры, поскольку квантовая природа делает их чрезвычайно чувствительными к окружающей среде.

АРМК, по материалам Центра Гельмгольца.