Kiedy w szkole uczyliśmy się o różnych stanach skupienia materii, wszystko było proste i zgodne z intuicją. Bez większych kłopotów dostrzegaliśmy dookoła siebie ciała stałe, ciecze i gazy. Zrozumienie, czym się różnią, nie wymagało łamania sobie głowy. Woda mogła być kostką lodu, cieczą, a odpowiednio mocno pogrzana – wyparować.
Jednak te trzy stany skupienia wcale nie wyczerpują katalogu form, w jakich może znaleźć się materia. Gwiazdy tworzy plazma, czyli materia zjonizowana. Jeśli atomy budujące ciało stałe zostają ułożone w uporządkowany sposób, powstaje kryształ. Ciecz zaś może być superlepka (superlepką ciecz sprzedawano nawet jako zabawkę dla dzieci – nazywała się „Slime” – a dziś często robi się ją na pokazach chemicznych).
Stanów – czy też bardziej precyzyjnie – faz materii może być nawet kilkaset. Niektóre z nich to koncepty czysto teoretyczne i nieraz mocno egzotyczne. Takim dziwnym tworem są ciała nadstałe (albo supersolidy, od ang. supersolid) – będące jednocześnie ciałem stałym i cieczą w stanie nadciekłym.
W najnowszym numerze czasopisma naukowego „Nature” badacze donoszą, że udało im się – po raz pierwszy – stworzyć w laboratorium ciało nadstałe, które ma dwa wymiary.
Co to jest nadciekła ciecz?
Wydawałoby się, że coś tak oczywistego jak ciecz, nie powinno kryć wielkich niespodzianek – woda to woda, kawa to kawa. Jednak właściwości cieczy mogą być bardzo różne, w zależności np. od tego, jaka jest jej lepkość. Jeśli jest wysoka, powstaje klejący się do palców „Slime”. Jednak lepkość może być również niska, a nawet wynosić zero.
Ciecze o lepkości zerowej to ciecze nadciekłe. Między tworzącymi je cząsteczkami nie występuje tarcie. Ma to znacznie praktyczne. Wyobraźmy sobie, że w kawiarni przyszłości kelner serwuje nam nadciekłą kawę. Jeśli zakręcimy kubkiem, płyn będzie się kręcił w nieskończoność.
Co to jest ciało nadstałe?
Wymyślone przez naukowców w 1969 r. ciała nadstałe są tworami jeszcze dziwniejszymi. Jest to materia, której atomy ułożone są w uporządkowany sposób, a przy tym mogą poruszać się bez żadnego tarcia, tak jak w nadciekłej cieczy. W poprzednim wieku postulowano, że w takiej fazie może znaleźć się izotop helu 4He.
Jak to sobie wyobrazić? – By pojąć, czym jest ciało nadstałe, pomyślmy o kostce lodu zanurzonej w ciekłej wodzie. Takiej kostce, przez którą woda przepływa bez najmniejszego tarcia – napisał Bruno Laburthe-Tolra z paryskiego Laboratorium Fizyki Laserów na łamach „Nature”.
Brzmi jak sprzeczność? To znak, że wkraczamy w krainę mechaniki kwantowej. Ciało nadstałe ma takie właściwości, ponieważ jego cząstki mogą być jednocześnie uwięzione w sieci budującej ciało stałe i całkowicie poza nią, co sprawia, że mogą przenikać przez nie jak fala. Mechanika kwantowa składa się właśnie z tego rodzaju sprzecznych z intuicją fenomenów, które są jednak znakomicie udowodnionymi prawami rządzącymi światem cząstek elementarnych.
Pierwsze dowody eksperymentalne, że ciała nadstałe istnieją
Na to, by udowodnić, że supersolidy to nie tylko pomysł teoretyczny, trzeba było czekać bardzo długo. Dopiero w 2017 r. po raz pierwszy wykazano eksperymentalnie, że taka faza skupienia w ogóle może istnieć.
Dwa lata później, w 2019 r., udało się uzyskać fazę nadstałą w kondensacie Bosego-Einsteina – jednak tylko w jednym wymiarze. Dokładniej rzecz ujmując, fizycy zdołali sprawić, że w okolicach zera absolutnego atomy gazowego helu tworzące kondensat zaczęły układać się w uporządkowany wzór, zachowując nadciekłość.
Jednak wówczas powstał – upraszając – tylko jeden rządek atomów. Teraz naukowcy, wykorzystując właściwości magnetyczne atomów, zdołali dodać do niej kolejny, tworząc strukturę dwuwymiarową. Wykorzystali do tego nie hel, jak poprzednio, tylko gazową formę dysprozu, rzadkiego pierwiastka o liczbie atomowej 66.
Naturalnie w tym miejscu pojawia się pytanie: jakie to ma znaczenie? Praktyczne żadne (przynajmniej na razie). Dla fizyków jednak pojawia się okazja prowadzenia badań nad czymś tak niezwykłym jak nadciekły gaz kwantowy. A w przyszłości – być może – odkrycia kolejnych fenomenów rządzących kwantowym światem; a więc także naszym własnym.