Ученые обнаружили квантовую синхронизацию в уникальном состоянии материи

Международная группа исследователей впервые продемонстрировала явление синхронизации в супертвёрдом теле – экзотическом квантовом состоянии материи, сочетающем в себе свойства кристалла и сверхтекучести. Открытие, опубликованное в журнале Nature Physics, не только раскрывает фундаментальные аспекты поведения квантовых систем, но и предлагает новый мощный инструмент для их изучения.

Синхронизация, известная со времен Христиана Гюйгенса, наблюдавшего за синхронным качанием маятниковых часов, широко распространена в природе – от одновременного мигания светлячков до биения сердечных клеток. В квантовом мире это явление становится индикатором корреляций и коллективного поведения частиц.

Объектом исследования выступило дипольное супертвёрдое тело, созданное из атомов диспрозия-164, охлаждённых до температур, близких к абсолютному нулю. В этом состоянии атомы самопроизвольно выстраиваются в упорядоченную кристаллическую решётку из капель, при этом оставаясь связанными общим сверхтекучим «ореолом», что позволяет им течь без трения.

Учёные приводили систему во вращение с помощью медленно поворачивающегося магнитного поля. Изначально кристаллическая решётка из капель и сверхтекучая составляющая вращались с разными скоростями. Однако, как выяснилось, существует критическая частота вращения, выше которой происходит резкая синхронизация движения капель с внешним полем.

Ключ к разгадке – квантовые вихри

Главное открытие заключается в том, что эта внезапная синхронизация напрямую связана с рождением в сверхтекучей части системы квантовых вихрей – крошечных вихревых нитей, чей крутящий момент квантован. Именно проникновение этих вихрей в центр системы заставляет кристаллическую решётку «подхватывать» ритм вращения внешнего поля.

«Солидная, кристаллическая часть супертвёрдого тела реагирует на вращение сразу, как жёсткое тело. А вот сверхтекучей части требуется время, чтобы сформировать вихри и "нагнать" угловой момент. Синхронизация – это процесс, когда система в целом догоняет внешний драйвер и достигает равновесия», – объясняет суть открытия один из авторов работы.

Синхронизация как новый диагностический инструмент

Исследователи показали, что сам факт синхронизации можно использовать как точный индикатор для определения критической частоты вращения, необходимой для образования вихрей. Это особенно ценно для режимов медленного вращения, когда другие методы детектирования вихрей менее эффективны.

Это открытие не только углубляет понимание фундаментальных свойств супертвёрдых тел, но и открывает новые пути для моделирования экзотических астрофизических явлений. Например, процессы десинхронизации и повторной синхронизации при замедлении вращения могут быть аналогичны «глич-эффекту» – внезапным скачкам в скорости вращения нейтронных звёзд.

Сочетание передовых экспериментальных методов с точным теоретическим моделированием позволило австрийским и итальянским физикам сделать ещё один важный шаг в понимании сложного и красивого мира квантовой макрофизики.