Na co dzień człowiek obraca się w świecie składającym się z materii w stanie stałym, ciekłym i gazowym, aczkolwiek mamy także wiedzę o czwartym stanie, jakim jest plazma. Problem w tym, że to tylko wycinek rzeczywistości. Nie mamy bowiem na co dzień okazji obserwowania zachowania materii w ekstremalnych warunkach, czyli w ekstremalnie wysokich i ekstremalnie niskich temperaturach. Okazuje się jednak, że właśnie w takich warunkach materia przyjmuje egzotyczne stany, które nie przypominają żadnego z wyżej wymienionych.
Kiedy materia zostanie schłodzona do prawie -273,15 stopni Celsjusza, może zacząć zachowywać się w nieoczekiwany sposób. Jednym z takich stanów jest nadciecz, faza materii o zerowej lepkości, co oznacza, że płynie bez żadnego oporu. Oznacza to, że gdyby udało się zamieszać nadciecz w pojemniku, pozostałaby ona w ruchu wirowym w nieskończoność i nigdy by nie zwolniła.
Czytaj także: W laboratorium po raz pierwszy powstał fenomen: dwuwymiarowe ciało nadstałe. Do czego można je wykorzystać?
Ekstrema nie ograniczają się jedynie do nadcieczy, istnieje bowiem także stan nadstały, którego istnienie zostało przewidziane już ponad pół wieku temu. Ta ekstremalna forma materii mogłaby łączyć w sobie właściwości ciała stałego i nadcieczy. W stanie nadstałym atomy są ułożone w sztywnej strukturze sieciowej, ale mogą również swobodnie płynąć, co jest cechą typową dla nadcieczy. Ta wyjątkowa struktura pozwala części atomów poruszać się bez tarcia, zachowując jednocześnie stałość charakterystyczną dla kryształów. Pomimo wcześniejszych wysiłków na rzecz badania materii nadstałej, bezpośrednia obserwacja ich przepływu przypominającego płyn była wyzwaniem.
Wszystko zmieniło się obecnie dzięki naukowcom z Uniwersytetu w Innsbrucku pracującym pod kierownictwem Francesci Ferlaino, którzy zdołali zamieszać ciało nadstałe i zaobserwować maleńkie wiry, znane jako skwantowane wiry. Są one uważane za wyraźny dowód nadciekłości. Ferlaino opisała ten proces, używając analogii do objętości kawy wirującej w filiżance po jej zamieszaniu łyżeczką. Gdy mieszamy kawę, na środku tafli pojawia się pojedynczy wir. Zupełnie inaczej jednak jest, gdy mieszamy ciało nadstałe. Początkowo stawia ono opór, ale ostatecznie w ciele nadstałym pojawia się seria małych zorganizowanych wirów tworzących przeróżne uporządkowane i powtarzalne wiry.
Czytaj także: Chiny u progu rewolucji kwantowej. Wykorzystają fascynujący materiał w stanie nadstałym
Podróż zespołu w kierunku mieszania ciała nadstałego rozpoczęła się od sukcesu w 2021 r., kiedy naukowcom udało się stworzyć dwuwymiarowe ciało nadstałe, schładzając określone atomy do ekstremalnie niskich temperatur. Jednak następny krok, zamieszanie tej delikatnej struktury bez jej destabilizacji, wymagał niebywałej precyzji. Z tego też powodu naukowcy musieli wykorzystać pole magnetyczne do kontrolowania jego ruchu. W ten sposób udało się zamieszać ciałem nadstałym i eksperymentalnie zaobserwować powstawanie skwantowanych wirów. Eksperyment potwierdził modele teoretyczne.
Uzyskane w ten sposób wyniki mogą przynieść nam wymierne korzyści. Teraz naukowcy będą w stanie odtwarzać w warunkach laboratoryjnych ekstremalne środowiska panujące np. w gwiazdach neutronowych, które doświadczają niewyjaśnionych dotąd „błędów”. Teoria mówi, że gwałtowne zmiany tempa rotacji takich obiektów mogą być spowodowane występującymi wewnątrz gwiazdy skwantowanymi wirami. Tworząc i badając te wiry w kontrolowanym środowisku, fizycy mogli uzyskać wgląd w złożone procesy zachodzące w tych odległych i ekstremalnych obiektach kosmicznych.