Kompiuteriniai modeliavimai atskleidžia superkietumo paslaptį (4)
Matijas Trojeris (Matthias Troyer), ETH Teorinės fizikos instituto Ciūriche skaičiuojamosios fizikos profesorius, vadovauja mokslininkų komandai, kuri užsiima įvairių kvantinių reiškinių modeliavimu. Viena iš tyrėjus labiausiai dominančių sričių – superkietumas (angl. supersolidity). Superkietumas aprašo tokią fizikinę fazę, kai labai žemoje temperatūroje medžiaga tuo pačiu metu pasidaro ir kieta, ir supertaki.
Prisijunk prie technologijos.lt komandos!
Laisvas grafikas, uždarbis, daug įdomių veiklų. Patirtis nebūtina, reikia tik entuziazmo.
Sudomino? Užpildyk šią anketą!
Įdomu tai, kad terminas „superkietumas” gali šiek tiek klaidinti. Pasak M. Trojerio kolegų, tyrinėjančių šį reiškinį JAV, karinio jūrų laivyno atstovai pamanė, kad „superkietas“ reiškia „nepaprastai tvirtas“, todėl pasiteiravo fizikų, ar tokia medžiaga tinkama laivams šarvuoti arba ginklams gaminti. Išgirdę neigiamą fizikų atsakymą (nes superkietumas nereiškia, kad tokia savybe pasižyminti medžiaga yra nepaprastai tvirta), kariškiai šiuo reiškiniu nustojo domėtis.
Šiuo metu tyrėjai atlieka fundamentalius superkietumo tyrimus – kol kas nėra aišku, kur šį reiškinį būtų galima tiesiogiai pritaikyti. M. Trojerio vadovaujama fizikų komanda žengė didelį žingsnį į priekį, aiškindama, kaip susidaro superkietumas. Gauti rezultatai išspausdinti keliuose „Physical Review Letters“ straipsniuose.
Teoretikai superkietumo reiškinį numatė dar 1969 m. Nors jų aiškinimas buvo neteisingas, į tai ilgokai niekas neatkreipė dėmesio, nes eksperimentiškai superkietumą pavyko aptikti viso labo tik 2004 m. Eksperimentuotojai disko formos helio kristalą pritvirtino prie spyruoklės ir leido jai suktis į priekį ir atgal. Esant tokiam išsidėstymui virpėjimo dažnis priklauso nuo besisukančios masės dalies. Buvo pastebėta, kad aparatą atvėsinus iki 0,2 Kelvino laipsnių temperatūros (t. y. gerokai priartėjus prie absoliutaus nulio), virpėjimo dažnis padidėjo, nes dalis masės nebedarė jokios įtakos suskimuisi – ji tapo supertaki (pradėjo elgtis kaip trinties poveikio nepatiriantis skystis). Iš to tyrėjai padarė išvadą, jog pasireiškė superkietumas.
Nors šis eksperimentas derėjo su teorija, tolesni tyrimai parodė, kad kristalo dalis, tampanti superkieta, ėmė didėti didinant kristalo defektų kiekį. Įdomiausia tai, kad teoretikai, numatę šį reiškinį, savo skaičiavimus atliko naudodami idealius kristalus – neturinčius jokių defektų.
Susiklosčiusi situacija sudomino M. Trojerio fizikų grupę ir jų kolegas iš JAV bei Kanados. Nors fizikai gali atlikti realius eksperimentus, vis dėlto dažnai pasirenka kompiuterinius modeliavimus, leidžiančius medžiagas tyrinėti kur kas nuodugniau. Pavyzdžiui, minėtieji Šveicarijos mokslininkai eksperimentavo su priemaišų neturinčiais kristalais – tokių laboratorijoje išauginti neįmanoma. Kaip parodė skaičiavimai, superkietumas juose nepasireiškė.
Tuomet mokslininkai išaugino virtualius kristalus su defektais. Defektus atstojo neįprasta kristalo sandara: pavyzdžiui, pusė kristalo buvo orientuota viena kryptimi, likusi pusė – kita. Eksperimentai buvo atlikti panaudojus apie šimtą galimų temperatūros ir orientacijos derinių. Gautas rezultatas – superkietumas pasireiškė ten, kur susidūrė skirtingos orientacijos atomų sluoksniai, be to, būtina, jog šie sluoksniai vienas kito tiksliai neatitiktų. Tai reiškia, kad šis reiškinys priklauso nuo defektų. Tą patį parodė ir laboratoriniai eksperimentai.
Iš pradžių kai kurie mokslininkai gautų rezultatų nepripažino. Tai, kad reiškinys galėjo susidaryti tik esant priemašoms, visiškai neatitiko teoretikams įprasto požiūrio, jog atliekant skaičiavimus priemaišos paprastai nenagrinėjamos. Tačiau naujasis modelis galiausiai susilaukė sėkmės.
Fizikų pasiekimais susidomėjo ne vien akademinis pasaulis. Kai vienas iš M. Trojerio vadovaujamos grupės narių atvyko į JAV, muitinės pareigūnas paklausė, ar jis kartais ne tas pats žmogus, dirbantis su medžiaga, kuri vienu metu gali būti ir kieta, ir skysta. Nekyla abejonių, jog JAV vyriausybei rūpi, kuo pasibaigs visas šis reikalas.
