Охладить, чтобы расплавить
Согласно законам квантовой механики стекло можно расплавить, охладив до абсолютного нуля.
Профессор Эран Рабани (Eran Rabani) из Школы химии Тель-Авива (Израиль) с коллегами из Колумбийского университета (США) открыли новый квантово-механический эффект, который наблюдается в стеклообразующих жидкостях. Они обнаружили, что стекло можно растопить, не нагревая его, а охлаждая до температуры на несколько градусов выше абсолютного нуля.
Стекло – уникальный материал, который человека использует давно. По своей структуре это аморфное тело, которое получают из стеклообразующих расплавов при быстром охлаждении. Температура, при которой варятся стекла, зависит от их состава и достигает от 300 до 2500 градусов по Цельсию. Несмотря на то, что на стекольных заводах производят немыслимые количества стекол, свойства стеклообразующих веществ изучают во многих научно-исследовательские институты, классические стекла остаются важной нерешенной проблемой физики конденсированного вещества. Профессор Рабани утверждает, что именно это высказывание лауреата Нобелевской премии Филипа Уоррена Андерсона (Philip W. Anderson) вдохновило его на исследование.
До сих пор структурные квантовые стекла (с уникальными свойствами стекол, в которых наблюдаются квантовые эффекты) не исследовались. Рабани попытался ответить на вопрос, сохранятся ли у стекла на квантовом уровне признаки классического стекла? Что происходит со стеклообразующим веществом, когда его охладить до температуры, близкой к абсолютному нулю? Как объясняют ученые в журнале Nature Physics, классическая физика, которая хорошо описывает поведение макроскопических объектов, не способна описывать явления на уровне атомов и электронов. Поэтому они использовали законы квантовой механики, чтобы представить, что происходит со стеклообразующей жидкостью рядом с абсолютным температурным нулем.
Спустя почти 90 лет после постулирования законов квантовой механики ученые нашли новые моменты в теории. Интуиция подсказывает, говорит Рабани, что большие квантовые флуктуации подавляют образование стекла, так как частицы способны преодолевать барьеры благодаря туннелированию и энергии нулевых колебаний. При определенных условиях, когда перестают работать законы классической физики, существует режим, когда квантовые эффекты замедляют релаксацию системы, она резко переходит в жидкое состояние. Это связано с тем, как упорядочены молекулы в материале, объясняет Рабани.
Ученые надеются, что их предсказания удастся подтвердить в лабораторных экспериментах, что откроет новые просторы для исследований.
10 февраля 2011
