Vědci udělali průlom v kvantové fyzice, poprvé zaznamenali přechod supratekutého stavu hmoty do superpevného stavu – a následný návrat zpět. Tento reverzibilní fázový posun, podrobně popsaný ve studii publikované 28. ledna v časopise Nature, potvrzuje dříve teoretickou možnost a otevírá nové obzory pro pochopení exotických stavů hmoty.
Podivný svět kvantových fází
Většina lidí zná tři běžné fáze: pevná látka, kapalina a plyn. Za extrémních podmínek však může hmota existovat i v mnoha jiných stavech. Superfluids jsou jedním takovým příkladem: proudí bez jakéhokoli odporu, dokonce při míchání vytvářejí věčné kvantové víry a objevují se pouze při teplotách mírně nad absolutní nulou.
Superpevné látky, teoreticky vznikající z ještě chladnějších supratekutých látek, kombinují nulovou viskozitu s krystalickým řádem. Na rozdíl od běžných kapalin jsou částice v superpevné látce uspořádány do mřížky, přičemž si zachovávají schopnost proudit a vytvářet kvantové víry.
Experiment a klíčové výsledky
Předchozí pokusy vytvořit superpevné látky se spoléhaly na vnější manipulaci, aby přinutily částice, aby se uspořádaly do mřížkové struktury. Nový výzkum demonstruje přirozený fázový přechod: supratekutá kapalina se za určitých podmínek spontánně organizuje do superpevné látky.
Za tímto účelem položil tým dva listy grafenu na sebe a vystavil je silnému magnetickému poli, čímž vytvořili „excitonovou polévku“. Excitony, kvazičástice tvořené páry elektron-díra, se při ochlazování systému chovaly neočekávaně.
Od superfluidní kapaliny k superpevné
Při teplotách od 2,7 do 7,2 °F (1,5–4 °C) nad absolutní nulou vytvořily excitony supratekutou kapalinu. Další ochlazování spustilo přechod do elektricky izolačního stavu, o kterém se vědci domnívají, že jde o skutečný superpevný stav.
Jak vysvětlil Jia Li, fyzik z Texaské univerzity v Austinu: “Pozorování izolační fáze, která se stává supratekutou, je bezprecedentní. Silně to naznačuje, že fáze při nízkých teplotách je velmi neobvyklá excitonická pevná látka.”
Proč je to důležité
Tento objev je významný, protože potvrzuje základní teoretické předpovědi o chování hmoty při extrémních teplotách. Schopnost přirozeně vyvolat tento fázový přechod poukazuje na hlubší, inherentní stabilitu těchto exotických stavů.
Důsledky přesahují čistou fyziku. Pochopení superpevných látek by mohlo odemknout nové technologie: materiály s nulovým odporem by mohly způsobit revoluci v přenosu energie a jedinečné vlastnosti těchto fází by mohly vést k novým kvantovým zařízením.
Co bude dál?
Tým plánuje prozkoumat další materiály a zlepšit techniky měření pro další charakterizaci supertvrdého stavu excitonu. Corey Dean, fyzik na Kolumbijské univerzitě, uvedl, že “V současné době zkoumáme hranice tohoto izolačního stavu a vyvíjíme nové nástroje pro jeho přímé měření.”
Tato studie není pouhým pozorováním podivného jevu; jde o rozšíření hranic našeho chápání hmoty a vydláždění cesty pro budoucí technologické průlomy.
Tento objev nakonec potvrzuje, že vesmír skrývá ještě podivnější překvapení, než jsme si představovali, a že hledání jeho základních zákonů není zdaleka u konce.
