Помимо известных основных состояний материи, состояния твердого тела, жидкого, газообразного и плазмы, существует еще множество экзотических состояний, которые можно получить только в воображении или в лабораторных условиях. Одно из таких состояний, известных под названием суперкристалл, "нарисовалось" в воображении ученых несколько лет назад и лишь недавно исследователям из университета Инсбрука впервые в истории науки удалось создать такой суперкристалл в своей лаборатории, притом в еще более экзотической форме, в форме двумерного суперкристаллического квантового газа.
Суперкристалл - это немного не то, что можно себе представить, исходя из его названия. По существу, атомы суперкристалла формируют твердую кристаллическую структуру, как и в обычных кристаллических формах материи. Но, параллельно с этим, атомы могут перемещаться, т.е. суперкристалл может течь, обладая нулевым показателем вязкости, подобно сверхтекучей жидкости или, как ее еще называют, супержидкости. Это весьма похоже на парадокс, но теоретически возможность существования такой формы материи была обоснована еще в 1960-х годах, а в 2017 году было получено первое экспериментальное подтверждение.
Некоторые группы исследователей добивались успеха в формировании небольших суперкристаллов, используя так называемый конденсат Бозе-Эйнштейна (Bose-Einstein condensate, BEC). Этот конденсат представляет собой облако атомов, охлажденных до сверхнизкой температуры. И в таком состоянии материи на первый план выходят ее квантовые свойства, которые обычно не проявляются на столь крупном масштабе. Одной из основных особенностей является то, что все атомы, входящие в состав облака конденсата, существуют одновременно во всех точках облака, благодаря квантовому явлению, называемому делокализацией.
В предыдущих экспериментах полученные частицы суперкристаллов имели столь малые размеры, что их можно было условно считать одномерными, благодаря чему атомы суперкристалла могли течь только в одном направлении. Группа из Инсбрука придала своему суперкристаллу еще одно измерение за счет того, что используемый ими конденсат Бозе-Эйнштейна состоял из атомов диспрозия. Магнитные взаимодействия между этими атомами заставили их собраться в виде "капелек", которые сами выстроились в виде узлов двумерной сетки.
"Можно предположить, что каждый из атомов может находиться только в пределах определенной капельки, и он не имеет возможности перемещаться между ними" - пишут исследователь, - "Но на самом деле, за счет явления делокализации, каждый атом существует одновременно во всех капельках, что придает этой системе ряд удивительных и уникальных свойств. Все это позволит нам изучать совершенно новые странности квантового мира, что было невозможно сделать ранее при помощи условно одномерных суперкристаллов".
Проводя исследования, ученые уже смогли заметить, что в созданной ими системе, в двумерном суперкристалле, в пустой области между капельками иногда возникают странные завихрения. Такое явление уже было описано ранее в теории, возникновение вихрей является одним из последствий явления сверхтекучести, и данный случай также является первым разом в истории науки, когда ученые смогли наблюдать все это воочию.