Гибрид материи и антиматерии в жидком гелии показал аномальное сужение спектральных линий
Группа европейских физиков обнаружила неожиданное сужение ширины спектральных линий антипротонного гелия, то есть экзотического атома, состоящего из электрона, антипротона и ядра гелия, погруженного в сверхтекучий гелий. Эффект потребует учета коллективных эффектов на ширины линий, а также открывает дорогу к спектроскопическому исследованию других экзотических атомов. Исследование опубликовано в Nature.
Одной из главных нерешенных проблем физики по сей день остается асимметрия материи и антиматерии во Вселенной. Ее можно было бы объяснить различием их физических свойств. Физики активно ищут эти различия во множестве разнообразных экспериментов, с каждым десятилетием увеличивая точность и накладывая на них все более строгие ограничения (подробнее про антиматерию читайте в материале «С точностью до наоборот»).
Важным инструментом на этом пути стала прецизионная атомная спектроскопия. Ее преимуществами оказались высокий технический уровень эксперимента и проработанность теории, которая позволяет делать очень точные предсказания. Мы уже рассказывали, как таким образом физики проверяли отличие антиводорода от обычного водорода. В антиводороде и протон, и электрон заменены на свои собственные античастицы: антипротон и позитрон.
Возможно, однако и гибридная ситуация, когда в состав атома входят как частицы, так и античастицы. Примером такого атома стал антипротонный гелий — экзотический атом, представляющий собой нейтральный атом гелия, в котором один из электронов заменен на антипротон. В оптических спектрах таких атомов также ищут нарушения симметрии. Ключевыми параметрами при этом выступают ширины спектральных линий, от которых зависит точность эксперимента. Их уширяет практически все, с чем взаимодействуют атомы, в том числе и столкновения друг с другом. Из-за этого ученые стараются проводить такие эксперименты в максимально разреженной среде.
Тем удивительнее оказался результат эксперимента, придуманного Масаки Хори (Masaki Hori) из Института квантовой оптики общества Макса Планка и проделанного им вместе с коллегами из Германии, Италии и Швейцарии. Физики обнаружили, что ширины спектральных линий антипротонного гелия, погруженного в сверхтекучий жидкий гелий, при некоторых условиях начинают сужаться, достигая субгигагерцовых значений. Это открывает дорогу к спектроскопическому исследованию других типов экзотических атомов, которые нельзя быстро замедлить и охладить традиционными методами, но можно уловить ловушками из жидкого гелия.
Для создания атомов антипротонного гелия авторы направляли пучок античастиц с энергиями несколько мегаэлектронвольт в запечатанные камеры с жидким гелием, где те тормозились и с некоторой вероятностью образовывали экзотические атомы. Антипротон при этом замещает один из гелиевых электронов, попадая на высоколежащую ридберговскую орбиту, то есть орбиту с большими значениями главного n и орбитального l квантовых чисел. Большой радиус такой орбиты защищает атом от аннигиляции антипротона с ядром.
В изолированных условиях антипротон испытывает каскадный спуск на нижележащие орбиты, приводящий к эмиссии оже-электронов и рентгеновских квантов, который завершается взаимодействием с ядром. Однако при наличии других атомов по соседству, более вероятным каналом распада антипротонного гелия становится аннигиляция античастицы с их ядрами. Примечательно, что электрон, находящийся в основном состоянии в экзотическом атоме, способен экранировать его от этого процесса, если его радиус орбиты больше такового у протона, который, в свою очередь, зависит от главного квантового числа (это происходит при n равном 30-40). Тот факт, что оптические переходы между орбитами практически не влияют на размер орбиты электрона и потому оставляют антипротон защищенным, дал физикам основание ожидать, что ширины соответствующих линий останутся узкими даже в жидком гелии.
Для проверки этой гипотезы авторы стимулировали переходы антипротонного гелия из состояний (n, l) = (37, 35) и (39, 35) в состояние (38, 34) двумя лазерами с длинами волн 726 и 597 нанометров, соответственно. Конечное состояние испытывает оже-распад с образованием хрупкого иона, который в опыте быстро разрушался от столкновений с атомами жидкости. Освобожденный антипротон тут же аннигилировал с образованием заряженных пионов, присутствие которых фиксировали акриловые черенковские детекторы.
Ученые слегка отстраивали частоты лазеров в окрестности резонанса и следили за числом отсчетов детекторов для газообразного и жидкого гелия. В первом случае поведение спектральных линий демонстрировало привычную зависимость от давления: с его ростом ширина увеличивалась, размывая сверхтонкий квадруплет, вызванный спин-спиновым взаимодействием между электроном и антипротоном.
В жидком гелии, который обладает фазовым переходом в сверхтекучее состояние (гелий-II) при 2,17 кельвин, физики нашли аномалию. Если зависимость ширин от температуры в гелии-I имела экспоненциальный характер, то в гелии-II она обладала минимумом в диапазоне 1,7-1,9 кельвин. Ширина резонанса на 729 нанометрах при этом составила примерно 0,9 гигагерц, а на 597 нанометрах — примерно 1,1 гигагерц, что на порядок меньше, чем того предсказывают расчеты на основе ударного уширения в бинарных столкновениях. Похожая аномалия наблюдалась и для сдвигов линий.
Авторы сделали вывод, что на ширины линий в сверхтекучем гелии оказывают влияние коллективные эффекты, которые не наблюдаются в обычных атомах из-за изменения их электронных оболочек при оптических переходах. Это означает, что похожий эффект можно будет обнаружить в других экзотических атомах, например, пионном, каонном или антидейтронном гелии, а значит точнее их исследовать с помощью спектроскопии.
В атоме антипротонного гелия античастица играет такую же роль, какую в обычных атомах играют электроны. Подобная ситуация уже знакома физике: мы ранее писали про открытие суперионного льда, в котором протоны свободно перемещаются по решетке из ионов кислорода.
Марат Хамадеев
Пока эти результаты вызывают сомнения
Физики из Южной Кореи обнаружили у апатита свинца, в котором часть атомов свинца замещена медью, сверхпроводящие свойства при комнатной температуре. Ученые утверждают, что полученный методом твердотельного синтеза материал — первый сверхпроводник при комнатной температуре и атмосферном давлении. Температура перехода разрушения сверхпроводящего состояния достигает в нем 127 градусов Цельсия, пишут исследователи в препринтах (1, 2) на arXiv.org. Впрочем, некоторые физики уже выразили сомнения в обоснованности опубликованных результатов. Сверхпроводимость — эффект, при котором у некоторых материалов электрическое сопротивление становится нулевым, — обычно наблюдается при экстремально низких температурах. Лишь в конце XX века удалось получить материалы, обладающие высокотемпературной сверхпроводимостью. Первым материалом с критической температурой (Тс) выше точки кипения азота (-195,8 градуса Цельсия) был оксид итрия-бария-меди. Только в 2010-х годах были открыты новые типы сверхпроводников, способных сохранять свои свойства при температурах, более близких к комнатной. При сверхвысоких давлениях (более миллиона атмосфер) сверхпроводящие свойства возникают и у гидридов многих элементов, например, у сероводорода. Недавно физики подтвердили наличие сверхпроводимости гидрида лантана LaH10 при −23 градусах Цельсия. Уже в этом году американские ученые получили сверхпроводимость гидрида лютеция, легированного азотом, при комнатной температуре и умеренно экстремальном давлении. Впрочем, другие группы воспроизвести их результаты пока не смогли. Группа корейских физиков под руководством Ли Сукбэ (Sukbae Lee) из Центра исследований квантовой энергии обнаружила, что в материале на основе апатита свинца Pb10-xCux(PO4)6O (доля x составляет от 0,9 до 1,1) сверхпроводящие свойства наблюдаются при комнатной температуре и атмосферном давлении, то есть без необходимости сжимать образец до сотен миллионов атмосфер. Материал LK-99 получен с помощью твердотельного синтеза в герметичной трубке, вакуумированной до 1,3 × 10-6 атмосфер. Анализ полученного порошка LK-99 при помощи рентгеновской дифракции показал, что величина постоянной его кристаллической решетки на 0,48 процентов меньше, чем у апатита свинца. Ученые связали это изменение с частичным замещением атомов свинца на более компактные по размеру атомы меди. Авторы исследования полагают, что это привело к возникновению внутренних механических напряжений в кристалле, которые в конечном итоге и стали причиной сверхпроводимости. Наличие сверхпроводимости в материале ученые подтвердили, наблюдая левитацию образца в магнитном поле за счет эффекта Мейснера, а также исследуя зависимость удельного сопротивления вещества от температуры. Физики определили, что критическая температура (Тс), при которой образец LK-99 терял сверхпроводящие свойства, составляет от 104 до 127 градусов Цельсия. Ниже этой температуры ученые выделили несколько характерных участков. В диапазоне до примерно 60 градусов Цельсия удельное сопротивление практически равнялось нулю с незначительными шумовыми сигналами. При более высоких температурах наблюдался плавный рост удельного сопротивления. Авторы интерпретировали этот рост как локальные нарушения сверхпроводимости в отдельных областях поликристаллического образца. Если результаты корейских физиков подтвердятся, LK-99 может стать первым веществом со сверхпроводимостью при комнатной температуре и атмосферном давлении. Впрочем, исследования сверхпроводимости при комнатной температуре часто вызывают вопросы у научного сообщества, даже если добираются до публикации в рецензируемых журналах. Например, после проверок в 2022 году из Nature отозвали статью американских исследователей, которые нашли сверхпроводимость при 17 градусах Цельсия в смеси сероводорода, метана и водорода. Технические вопросы, из-за которых отозвали статью о сверхпроводимости углеродистого сероводорода, возникли и к этой работе. Так, сомнения в обоснованности выводов корейских ученых высказал профессор химического факультета МГУ Евгений Антипов, который вместе с Сергеем Путилиным открыл в 1993 году новое семейство ртутьсодержащих сверхпроводящих купратов. Один из них — HgBa2Ca2Cu3O8+x — на настоящий момент имеет рекордную подтвержденную на данный момент критическую температуру, −138 градусов Цельсия. В разговоре с N + 1 химик прокомментировал открытие коллег: «Я не думаю, что эта статья выйдет в каком-либо серьезном журнале, потому что она не отвечает принятым стандартам. У меня вызывает большие сомнения возможность реализации сверхпроводимости в соединении с такой формулой. Это оксофосфат двухвалентного свинца, а двухвалентный свинец отличается тем, что у него свободные электроны локализованы, они не могут переходить в зону проводимости — а значит они будут локализованы на катионах свинца». Вопросы у Антипова вызвала и возможность замещения двухвалентного свинца на двухвалентную медь в том синтезе, который проводили корейские ученые: «Представленные данные не убеждают в возможности такого замещения, так как в образце присутствует примесь сульфида меди Cu2S. С точки зрения кристаллохимии это выглядит не очень обоснованно, а с точки зрения эксперимента — они получили образец с примесями, при этом примеси там много. Поэтому говорить, что медь находится в позиции свинца, когда она присутствует в виде примесей — не обосновано». Физики продолжают изучать различные вещества и способы достичь высокотемпературной сверхпроводимости. Например, ранее мы писали, как сверхпроводимость ищут даже в радиоактивных веществах. О том как механическое напряжение помогает получить состояние сверхпроводимости в графене читайте в нашем материале «Тонко закручено».
