Российский физик предсказал новое состояние материи

Исследователь с кафедры электродинамики сложных систем и нанофотоники МФТИ (Факультет проблем физики и энергетики), старший научный сотрудник Института теоретической и прикладной электродинамики РАН Александр Рожков представил теоретические расчеты, из которых следует возможность существования фермионной материи в ранее неизвестном состоянии — в виде одномерной жидкости, которую нельзя описать в рамках существующих моделей.

Подробности содержатся в статье ученого, которая опубликована журналом Physical Review Letters.

Реализовать новое состояние материи, возможно, удастся с помощью удерживаемых в магнитном поле охлажденных атомов. На иллюстрации показана подобная ловушка (рисунок: NASA/JPL-Caltech)

Пресс-службе МФТИ Александр Рожков пояснил, что одномерная жидкость — это не обязательно то состояние вещества, которое можно наблюдать невооруженным глазом в макроскопическом масштабе. Термин «жидкость» следует понимать расширительно: он относится к моделям, описывающим многочастичные системы с межчастичным взаимодействием. Такие модели могут описывать как вполне обыденные объекты, вроде электронов в проводниках, так и необычные объекты, вроде нанотрубок, листов графена или нанопроволок.

«Сейчас есть две модели фермионной материи, так сказать, общего положения: ферми-жидкость (работает в трех- и двумерном пространстве) и жидкость Томонаги-Латтинжера (работает в одномерном). Я показал, что в одномерии можно, подстраивая взаимодействие, получить еще одно состояние одномерной материи, которая похожа на обе эти модели, но не сводится ни к той, ни к другой. Обнаруженную систему я предложил называть квази-ферми жидкостью. Поскольку требуется аккуратная подстройка взаимодействия, моя квази-ферми жидкость не есть система общего положения. Возможно поэтому она была обнаружена лишь спустя полвека после описания жидкостей Ферми и Томонаги-Латтинжера».

Как следует из предложенного названия системы, описываемая материя состоит из фермионов. Фермионами называют частицы с полуцелым спином: спин, квантовая характеристика частицы, равен не целому числу, а полуцелому («полуцелым» называется сумма целого числа и 1/2). Согласно законам квантовой механики, поведение вещества из фермионов отличается от поведения вещества, составленного бозонами, частицами с целым спином.

Разницу между ферми- и бозе-жидкостями можно показать на примере жидкого гелия: атом изотопа гелий-4 имеет бозоннае ядро, поэтому образует бозе-жидкость, которая испытывает бозе-конденсацию при температурах ниже 2,17 кельвин. Сконденсированная бозе-жидкость демонстрирует сверхтекучесть: например, обладает способностью протекать через любые щели, не встречая сопротивления. А гелий-3 имеет фермионное ядро, поэтому образует ферми-жидкость. Для перевода гелия-3 в сверхтекучее состояние необходимо охладить его до 0,0025 кельвина (т. е., температура перехода на три порядка ниже). И микроскопический механизм сверхтекучести у гелия-3 не такой, как у гелия-4.

Исследователь пояснил, что в условиях низких температур и в сильном магнитном поле фермионы начинают вести себя так, как если бы у них не было спина. Это позволяет упростить их моделирование, сохраняя достаточную точность.

«При достаточно низкой температуре, все фермионы выстроят свои спины по полю. Тогда можно будет считать, что фермионы теряют спин, поскольку переворот спина требует слишком большой энергии. Конечно, в реальных веществах — это очень серьезное ограничение на температуру и силу магнитного поля. Однако подобное приближение достаточно распространено в качестве модели для первой попытки. Оно облегчает теоретический формализм, при этом не выбрасывает с водой и ребенка».

Предварительные оценки показывают, что новое состояние одномерной жидкости может быть получено с использованием охлажденных до очень низких температур атомов в магнитных ловушках. О практическом применении такой системы говорить, по словам Александра Рожкова, пока не приходится: «Обычно в почти любой современной работе, как теоретической, так и экспериментальной, обещают приложения. Но на данном этапе я бы не слишком напирал на прикладные аспекты как моей, так и родственных работ. Я обнаружил экзотического мутанта, не похожего ни на что уже известное. А будет ли с этого прикладной навар, другой вопрос. В данный момент я думаю, что не будет», — рассказал автор открытия пресс-службе МФТИ.

Кроме того, ученый сообщил, что группа, в которой он работает, активно занимается исследованием и других низкоразмерных многочастичных систем. Например, недавно были получены новые результаты о возможном антиферромагнетизме в двуслойном АА-графене, а также разработано новое описание для квантовых точек из сверхпроводящего материала.