Pokud jste někdy náhodou viděli film Terminátor II, ve kterém hlavní záporný hrdina, robot z tekutého kovu, prochází ocelovou mříží tak, že jí prostě proteče, kladli jste si možná otázku, jestli vůbec kdy bude možné dosáhnout něčeho takového, a nebo jestli vás tvůrci tohoto akčního trháku jednoduše netahají za nos. Roboty ani jiné předměty, kteří za pokojové teploty dokáží protékat nějakou děrovanou překážkou, přičemž si zároveň uchovávají svou pevnou konstituci, sice ještě lidé vyrobit neumí, nicméně pokud slevíme z požadavku pokojové teploty a spokojíme se s teplotami blízkými k absolutní nule, tak od poloviny ledna tohoto roku už situace vypadá přece jen trochu jinak. Řeč je zde o suprapevnosti, exotickém stavu hmoty, ve kterém si hmota zachovává atributy pevného tělesa, a přitom umí procházet porézními překážkami tak, jako kdyby žádné nebyly. Ve vydání časopisu Nature z 15. ledna tohoto roku oznámili fyzici Eun-Seong Kim a Mores Chan z Penn State University jejich objev nové fáze hmoty, suprapevného hélia 4, které se chová podobně jako dávno známý supratekutý stav hélia, jenže na rozdíl od něj se nachází nikoliv v tekutém, ale v pevném stavu.

Výzkumníci připravili důvtipný experiment, který demonstroval schopnost nového stavu hmoty procházet bez jakéhokoliv odporu porézními překážkami. Do těsné kapsle uzavřeli kotouč porézního materiálu Vycor, což je sklu podobný materiál s jemnými póry atomárních rozměrů. Porézní kotouč předtím nasytili héliem 4, ochladili na teplotu 2 Kelviny, a kapsli vystavili tlaku 63 atmosfér, při němž hélium přešlo do pevného stavu. Zvýšený tlak byl nezbytný, neboť je již dlouho známo, že na rozdíl od všech ostatních látek není možno jakkoliv velkým ochlazením převést tekuté hélium do pevného stavu při běžném atmosférickém tlaku – pevná fáze helia totiž vzniká až při teplotách blízkých absolutní nule za tlaku minimálně 25 atmosfér. Kapsle s kotoučem byla připevněna ke svislé tenké tyčce, která procházela středem kotouče – kotouč sám byl orientován ve vodorovné poloze. Poté byl kotouč jemně uveden do rotačního pohybu kolem svého středu, tedy kolem osy procházející tyčkou, ke které byl připevněn. Protože ale tyčka byla zároveň připevněna k nehybnému přístroji, výsledkem byly malé torzní kmity kotouče – kotouč díky pružnosti tyčky, kterou svým pohybem kroutil, vykonával rotační pohyby tam a zpět podobné, jaké můžeme vidět u rotačních kyvadélek některých ozdobných nástěnných hodin. Perioda těchto torzních kmitů závisí jednak od tuhosti tyčky, která je těmito kmity kroucena, a jednak od hmotnosti rotující hmoty.

Až do té doby probíhal experiment naprosto standardně, aniž by bylo zapotřebí uvažovat o nějakém atypickém stavu hmoty. Prostě pevný porézní kotouč nasycený héliem 4, které bylo za daného tlaku 63 atmosfér a teploty 2 K také v pevném stavu, vykonával torzní kmity kolem tyčky, k níž byl upevněn. V dalším kroku experimentu se postupně snižovala teplota, přičemž se dále měřila perioda torzních kmitů kotouče. Ta se pomaličku měnila se snižující se teplotou, protože teplota mírně ovlivňuje konstanty pružnosti materiálů, a tedy i pružnost tyčky, na které byl připevněn kotouč. Při teplotě 0,175 K došlo ale k náhlému skoku v periodě kmitů – kotouč se nyní otáčel mnohem rychleji, jako kdyby se stal rázem lehčím. Rychlost jeho otáčení odpovídala tomu, jako kdyby najednou helium uteklo z kapsle, v níž byl uzavřen kotouč. Jenže nebylo tomu tak, protože po opětovném zvýšení teploty nad 0,175 K se perioda torzních kmitů opět skokem vrátila na předchozí hodnotu. Hélium tedy v kotouči stále bylo, jenže pod teplotou 0,175 K nerotovalo – pohyb porézního kotouče jej nechal v klidu, hélium prostě porézní látkou procházelo stejně, jako protéká voda drátěnou metlou, pokud jí ve vodě pomaličku otáčíme.

Souvislost periody torzních kmitů kotouče se stavem hélia v něm obsaženém si můžeme přiblížit na jednoduchém příkladu – mějme kýbl s vodou, který držíme za držadlo v ruce. Pokud náhle zarotujeme kýblem kolem jeho svislé osy, voda v první chvíli zůstane nehnutá, teprve až za chvíli se díky tření o stěny kýblu uvede do rotačního pohybu. Uvést do rotace kýbl s vodou dá menší práci, než uvést do stejné rotace kýbl s ledem, a to právě proto, že v případě tekuté vody v první chvíli měníme rotační stav pouze samotného kýblu, kdežto v případě kýblu s ledem už od první chvíle měníme rotaci kýblu i s celým jeho obsahem. Pokud bychom kýbl s vodou připevnili ke svislé tyči, naměřili bychom samozřejmě v první chvíli kratší torzní periodu, než u kýblu s ledem, ačkoliv by celková hmotnost obou kýblů byla stejná.

V případě s porézním kotoučem z popsaného experimentu se jedná o cosi mírně podobného, i když jsou zde minimálně dva důležité rozdíly. Za prvé, zatímco v případě kýblu s vodou se perioda jeho torzních kmitů ochlazením prodlouží, protože se voda změní v led, tak v případě popisovaného experimentu je tomu naopak – ochlazením pod 0,175 K se perioda torzních kmitů zkrátí, tedy jakoby se naopak hélium stalo ochlazením z pevného stavu tekutým. Za druhé, v případě kýblu s vodou se po krátkém čase voda díky vnitřnímu tření rozpohybuje spolu s kýblem – v případě kotouče s héliem 4 tomu ale tak není, pohyb hélia skrze póry kotouče se děje bez jakéhokoliv tření.

Dlužno říci, že samotný pohyb hélia bez tření není žádnou novinkou – u kapalného hélia pod teplotou 2,177 K dochází ke vzniku tzv. supratekutosti, kdy vymizí jakékoliv třecí síly, odpor či viskozita, takže supratekuté helium teče bez překážek i těmi nejmenšími štěrbinami, které by pro normální kapalinu byly neprůchodné. Supratekutost objevil již v roce 1938 legendární fyzik P. L. Kapica, a s ní spoustu do té doby naprosto nevídaných kousků, které supratekuté hélium mělo ve svém repertoáru – supratekuté hélium umělo samo po stěnách vylézt z otevřené nádoby, nebo do nádoby částečně dnem ponořené pod hladinu zase po stěnách samo nalézt, při osvětlení ponořených kapilár vytvářelo nepochopitelné fontány, a hlavně teklo bez jakéhokoliv odporu skrze libovolné porézní překážky.

Naměřený skok v periodě torzních kmitů v porézním kotouči s héliem by tedy byl velice snadno vysvětlitelný tak, jako by ochlazením došlo k přechodu hélia do supratekutého stavu – díky svým supratekutým vlastnostem by pak docházelo k tomu, že zatímco kotouč rotuje, supratekuté hélium jím bez odporu prochází, takže kotouč rotuje sám. Hélium nemá důvod měnit svůj rotační stav, protože s kotoučem téměř neinteraguje (chová se vůči kotouči jako zvláštní druh vakua), a díky tomu změny rotace kotouče na něj nemají žádný vliv.

Je tedy možné říci, že Kim a Chan vlastně nic převratného neobjevili, pouze jen vytvořili dávno známý supratekutý stav v héliu obsaženém v kotouči? Ne, mezi stavy supratekutosti a suprapevnosti jsou totiž podstatné rozdíly. Suprapevnost se totiž podle teorie na rozdíl od supratekutosti vyznačuje uspořádáním charakteristickým pro krystal (proto se také o suprapevných stavech hmoty hovoří jako o kvantových krystalech). Zatímco v supratekutém héliu se jako tekutina pohybují pouze atomy hélia, v suprapevném héliu se pohybují i mezery analogické defektům v krystalické mřížce, a to souběžně s atomy hélia, přičemž jejich vzájemné rozmístění zůstává stejné. Na druhou stranu by se ale možná kvůli schopnosti prostupovat děravými překážkami a současně schopnosti udržet si svůj „tvar“ hodila místo představy pevného skupenství spíše představa jakéhosi kvantového želé, které by odpovídalo chování hélia v experimentu.

Suprapevnost je teorií předpovídána už desítky let, ale její experimentální potvrzení se zatím nedařilo. Když už to vypadalo, že v jednom experimentu byla suprapevnost docílena, byl tento výsledek zpochybněn tím, že v celé následující sérii experimentů se totéž nepodařilo. Navíc není vždycky až tak jednoduché z experimentálně naměřených dat správně interpretovat děje, které v měřeném vzorku probíhají. Procesy probíhající v kondenzovaných (tj. kapalných či pevných) látkách za tak nízkých teplot jsou velice komplikované, protože zde dochází k celé řadě kolektivních jevů, které jednou vedou k vzniku kolektivních excitací, které se v látce chovají jako např. zvláštní druhy částic (takové excitace  pak nazýváme kvazičástice), kdežto jindy třeba vedou k naprosto nečekaným fázovým přechodům, kdy se skokem mění některé charakteristiky látky. Protože je výpočetně i analyticky nemožné odvodit chování kondenzovaných látek ze základních fyzikálních rovnic, kterým se podřizují jednotlivé částice látky (a to z toho důvodu, že i ty nejmenší vzorky obsahují trilióny až kvadrilióny atomů, takže by bylo nutné řešit rovnice s trilióny až kvadrilióny proměnných, což je možná i na příštích sto let naprostá utopie), je nutné vytvořit fenomenologické, nezřídka až zoufale zjednodušené modely, na nichž se dají studovat pro nás důležité vlastnosti systému (např. vznik supratekutosti, supravodivosti, suprapevnosti, ale třeba také feromagnetismu, nebo vznik nových stavů – fází – hmoty). Při řešení těchto fenomenologických modelů někdy pomůže důvtip teoretika, jindy je ale nutné se nakonec opřít o mohutnou výpočetní sílu těch největších superpočítačů, jejichž výpočetní výkon dokáží i tyto zjednodušené modely polykat jako nenasytní bumbrlíčci. A aby to nebylo tak jednoduché, tak ani výsledky těchto náročných simulací nejsou vždycky snadno a jednoznačně interpretovatelné.

Přes všechny tyto problémy učinila teorie za posledních patnáct let znatelný pokrok. Například co se týče suprapevnosti, tak ta je studována nejen coby možný stav pevného hélia 4, ale i v mnohých naprosto odlišných systémech, jako jsou např. směsi bosonů a fermionů v optických pastech či na optické mříži. Bosony jsou částice (ať už základní, nebo i složené) s celým spinem, zatímco fermiony mají spin polocelý. Spin je vnitřní charakteristika každé částice, přičemž z teorie plyne, že může nabývat pouze celých či polocelých hodnot. Chování částic s polocelým spinem je diametrálně odlišné od chování částic se spinem celým, a proto pro jakoukoliv částici je jednou z jejích nejdůležitějších charakteristik to, do jaké z těchto dvou skupin patří (zda mezi bosony, nebo mezi fermiony). Celost nebo polocelost spinu velice výrazně ovlivňuje to, jakým způsobem se částice daného druhu budou uspořádávat vůči sobě navzájem. V optických pastech či na optické mříži jsou atomy udržovány na určitých pozicích pomocí vhodně volených laserových paprsků, jejichž elektromagnetická pole díky dipólovým momentům vhodně zvolených atomů umožňují s těmito atomy různým způsobem manipulovat. Podle teorie také v tomto případě existují možné fázové přechody do různých stavů, mezi nimiž kromě jiných exotických možností figurují také supratekutý a suprapevný stav. V modelech se suprapevnost projevuje jako supratekutosti podobný stav hmoty, který se ale vyznačuje periodickým prostorovým uspořádáním, a v některých případech vykazuje také supravodivé rysy, jako je např. Meissnerův jev (díky němu se supravodiče odpuzují od jakkoliv natočených magnetů, takže se např. magnety samovolně vznáší nad supravodiči nebo naopak supravodiče nad magnety), nebo průtok elektrického proudu s nulovými ztrátami. I to je mimochodem jeden z důležitých momentů, který vysvětluje ohromnou pozornost, která je výzkumům nových stavů hmoty věnována.

Ukazuje se také, že suprapevnost není jediným zvláštním stavem systému kondenzovaných bosonů či fermionů, ale že existuje více druhů uspořádání částic při dostatečně nízkých teplotách v závislosti na volných parametrech toho kterého modelu – ať už jimi je intenzita vnějších polí, hustota zaplnění energetických hladin částicemi, počet defektů v mříži, či jiných hodnot, které ovlivňují chování modelu. Mezi těmito stavy existují přechody podobné, jaké existují např. při změně teploty mezi magnetickou a nemagnetickou fází u magnetických látek. Dochází tu skokově k náhlé změně uspořádání látky, takže ta se pro určitou oblast parametrů chová třeba jako feromagnetikum, pro jinou oblast jako supratekutý stav, a pro nějakou speciální oblast třeba zrovna jako suprapevná látka. Je důležité dodat, že každá fáze vyžaduje splnění určitých relativně přísných podmínek pro svou existenci, a proto jak supratekutý, tak suprapevný, ani jiný exotický stav není žádnou samozřejmostí, která se dá očekávat u kterékoliv látky, pokud ji budeme dostatečně intenzivně ochlazovat či stlačovat. To je také jeden z důvodů, proč nebyla suprapevnost experimentálně pozorována už dříve, ačkoliv už desítky let uměli odborníci ochlazovat látky na mnohem nižší teploty (řádově desítky nanoKelvinů), než jaké ve svém experimentu použili Kim a Chan.

Suprapevnost, supratekutost a supravodivost, ale také např. laserový paprsek, jsou realizacemi tzv. Bose-Einsteinova kondenzátu, což je stav hmoty, kdy se jednotlivé částice nějakého prostředí začínají chovat kolektivně, kdy díky kvantovým zákonitostem ztrácí svou individualitu a částice celého systému se začíná chovat synchronně – toto chování nazýváme také koherencí. Příčinou tohoto chování je částicově-vlnová povaha hmoty – každá částice se kromě svých částicových vlastností chová také jako vlna o určité vlnové délce, čehož se již od dvacátých let dvacátého století úspěšně využívá např. při rentgenových analýzách struktury látek. Vlnová délka každé částice je nepřímo úměrná kinetické energii této částice, a protože se při ochlazování energie částic zmenšuje, roste spolu s ním i vlnová délka částic. Dokud mají částice tak malou vlnovou délku, že je mnohem menší, než je průměrná vzdálenost mezi nimi, tak se částice i přes svoji vlnovou povahu chovají stále relativně individuálně, tedy tak, jak to od nich očekávala klasická fyzika. Jakmile ale dojde k nárůstu vlnové délky jednotlivých částic tak, že se v dosahu vlnové délky jedné částice ocitnou částice sousední, přihlásí se ke slovu velice zvláštní kvantový fenomén, kterým je principiální nerozlišitelnost částic.

Podle tohoto principu (experimentálně mnohokrát velmi dobře potvrzeného) neexistuje možnost, jak dvě stejné částice rozlišit jednu od druhé podobně, jako bychom to mohli udělat např. se zrnky písku, která bychom si v principu mohli označkovat jedinečnými značkami, takže bychom i po jejich důkladném promíchání mohli rozlišit, které zrnko se odkud kam dostalo. U principiálně nerozlišitelných částic toto není možné, a ač se to z laického pohledu nezdá, tento fakt má velice dalekosáhlé experimentální důsledky. Máme-li jednu částici v místě A, a druhou, principiálně nerozlišitelnou částici v místě B, pak je tento stav naprosto nerozlišitelný od stavu, ve kterém si obě částice vyměnili svá místa. Tento fakt nás nemusí znepokojovat do doby, dokud se vlnové balíky obou částic nepřekrývají, protože nám je jedno, která částice je která, hlavně když máme jistotu, že se každá z nich vyskytuje na dobře definovaném místě, ze kterého se prakticky nehne.

Odlišná situace ale nastane v případě, že se vlny obou částic prodlouží natolik, že se vlnové balíky příslušející těmto částicím navzájem překryjí. V tom okamžiku se nikdy nedozvíme, kolikrát či jak často si obě částice vyměnili místo, a jestli momentálně na místě A sedí ta částice, která tam byla na začátku, nebo jestli její místo nezabrala částice původně sedící v místě B. Možná si řeknete, že to přece nic neznamená, protože i rozlišitelné částice, jako je proton a elektron, se mohou za určitých podmínek svými vlnovými balíky překrývat, a nic zvláštního se neděje – např. v každém atomu vodíku překrývá vlnový balík elektronu proton sedící v centru atomu. Rozdíl je v tom, že v případě principiálně nerozlišitelných částic dojde k redukci počtu stavů, v jakých se systém může nacházet. U rozlišitelných částic např. můžete nechat expandovat vlnový balík jedné částice tak, že překryje vlnový balík druhé částice, a vlnový balík třetí částice, přičemž vlnové balíky druhé a třetí částice se nepřekrývají. U rozlišitelných částic vám zůstává jistota, že druhá a třetí částice si mezi sebou místa nevymění, protože umíte odlišit vlnový balík první částice od vlnových balíků zbylých dvou – vlnové balíky rozlišitelných částic se zkrátka mezi sebou nemísí, mohli bychom si je formálně obarvit každý jinou barvou, takže bychom vždycky měli přehled, která částice se nám jak chová. V daném případě bychom tedy viděli, že je neposedná první částice, zatímco druhé dvě způsobně sedí na svých místech. Pokud ale použijeme principiálně nerozlišitelné částice, a vlnový balík první částice necháme expandovat přes maličké vlnové balíky druhé a třetí částice, nemůžeme říct vůbec nic. Všechny tři nerozlišitelné částice si mezi sebou budou nekontrolovatelně vyměňovat svá místa, navíc nebudeme schopni říct, která částice tento zmatek vyvolala, protože výsledný stav bude naprosto identický, jako bychom na začátku nechali expandovat místo první vlnový balík druhé nebo třetí částice, zatímco zbylé dvě by způsobně zůstávaly na svých místech.

Vraťme se nyní k ochlazování systému identických částic. V okamžiku, kdy se vlnové balíky jednotlivých částic překryjí s vlnovými balíky částic sousedních, vznikne díky principiální nerozlišitelnosti částic naprosto dokonalá propletená polévka částic, kdy přestává mít smysl hovořit o jednotlivých částicích jako o individualitách – v takovém stavu se totiž kterákoliv z částic systému může objevit na kterémkoliv místě tohoto systému s naprosto identickou pravděpodobností, jako kterákoliv jiná částice. Díky tomu se všechny částice systému začínají chovat jednotně – jakékoliv působení na jedinou částici systému si naprosto stejným dílem mezi sebe rozdělí všechny částice. Pohyb částic již téměř neomezují běžné překážky, které by dokázaly zastavit každou jednotlivou částici, a to proto, že pro částice v tomto stavu není žádný problém si kdykoliv vyměnit místo s jinou částicí, které se do cesty nic nestaví, a tímto způsobem bez jakéhokoliv odporu překážku obejít. Výsledkem jsou naprosto nepochopitelné vlastnosti suprapevnosti, supratekutosti či supravodivosti, kdy se látka (v případě supravodivosti jsou jí elektronové páry) pohybuje bez jakéhokoliv odporu okolním prostředím. Tento obecně pojatý stav hmoty se nazývá Bose-Einsteinovým kondenzátem. Své jméno získal po vynikajícím indickém fyzikovi Bosem, který první přišel na myšlenku, že by se za určitých speciálních podmínek mohly částice s celočíselným spinem (nazvané na jeho počest bosony) seskupovat do takového kolektivního stavu. Fermiony (částice s polocelým spinem) se přímo takto sdružovat nemohou, mohou ale nejprve vytvořit páry, které už mají celočíselný spin, a takto vzniklé páry mohou za ještě přísnějších podmínek kondenzovat podobně, jako bosony (tímto způsobem vzniká např. supravodivost, kdy elektrony se jakožto fermiony s polovičním spinem nejprve spárují do tzv. Cooperových párů, a ty pak vytvoří Bose-Einsteinův kondenzát, který se látkou pohybuje bez jakéhokoliv odporu).

Experimentálním potvrzením suprapevnosti se docílilo toho, že Bose-Einsteinovy kondenzáty byly potvrzeny u třetího skupenství hmoty. Jako první byly objeveny v případě supratekutosti hélia 4, tj. Bose-Einsteinovým kondensátem zde bylo kapalné skupenství. V posledních letech byly Bose-Einsteinovy kondenzáty připraveny z řídkých, hluboce ochlazených par některých prvků, zde tedy šlo o skupenství plynné. Objev suprapevnosti znamená potvrzení existence Bose-Einsteinovy kondenzace i pro  pevné skupenství hmoty.

Závěrem se lze zeptat, k čemu vlastně může být tento objev použit? Znamená to snad, že se máme těšit do budoucna na to, že budeme umět např. sami sebe uvádět do supravodivého stavu, ve kterém budeme umět hravě protékat mřížemi, prosoukávat se sebemenší štěrbinou, nebo procházet porézní zdí? Asi ne, a raději to ani nezkoušejte, protože teplotu pod jedním Kelvinem by dost možná nerozchodil ani ten Terminátor. Koneckonců ani supratekutost, na rozdíl od průmyslově již relativně široce využívané supravodivosti, nemá dodnes prakticky žádné pořádné uplatnění. Na druhou stranu je nepochybné, že právě materiálový výzkum, jehož je studium nových stavů hmoty součástí, poskytuje velice masivní prakticky aplikovatelné výstupy pro moderní průmysl, ať už jím jsou nové druhy polovodičů, speciální materiály pro nové přesné detekční přístroje, speciální mikroprvky do výpočetní techniky, účinnější metody přenosu signálů v optických vláknech, a nepřeberné množství dalších aplikací. Studium exotických stavů hmoty je vlastně taková třešnička na dortu, je to směr výzkumu tažený vábivým hlasem nejméně dvou Sirén – jedním z nich je sen o dosažení supravodivosti za pokojové teploty, druhým pak možnost postavit časem kvantový počítač dost možná právě na základě dokonalého pochopení vlastností Bose-Einsteinových kondensátů, či obecně jiných kvantových exotických stavů hmoty. A i když dosažení jak jednoho, tak druhého z těchto cílů je možná dodnes ještě hudbou daleké budoucnosti, poznatky získávané cestou za těmito vrcholy se už dnes aplikují v jiných, dnes už používaných průmyslových aplikacích.