Naukowcy dokonali przełomu w fizyce kwantowej, po raz pierwszy rejestrując przejście stanu materii nadciekłego w stan superstały – i późniejszy powrót. To odwracalne przesunięcie fazowe, szczegółowo opisane w badaniu opublikowanym 28 stycznia w czasopiśmie Nature, potwierdza wcześniej teoretyczną możliwość i otwiera nowe horyzonty w zrozumieniu egzotycznych stanów materii.
Dziwny świat faz kwantowych
Większość ludzi zna trzy popularne fazy: stałą, ciekłą i gazową. Jednak w ekstremalnych warunkach materia może istnieć w wielu innych stanach. Nadciecze są jednym z takich przykładów: przepływają bez żadnego oporu, a podczas mieszania tworzą nawet wieczne wiry kwantowe i pojawiają się tylko w temperaturach nieco powyżej zera absolutnego.
Supersolids, teoretycznie powstające z jeszcze zimniejszych nadcieków, łączą zerową lepkość z porządkiem krystalicznym. W przeciwieństwie do zwykłych cieczy, cząstki superstałego ułożone są w siatkę, zachowując jednocześnie zdolność przepływu i tworzenia wirów kwantowych.
Eksperyment i kluczowe wyniki
Poprzednie próby stworzenia supersolidów opierały się na manipulacji zewnętrznej, aby zmusić cząstki do ułożenia się w strukturę siatkową. Nowe badania wykazują naturalne przejście fazowe: nadciekła ciecz spontanicznie organizuje się w superstałe w pewnych warunkach.
Aby to zrobić, zespół ułożył dwa arkusze grafenu jeden na drugim i wystawił je na działanie silnego pola magnetycznego, tworząc „zupę ekscytonową”. Ekscytony, kwazicząstki utworzone przez pary elektron-dziura, zachowywały się nieoczekiwanie podczas ochładzania układu.
Od nadciekłej cieczy do superstałej
W temperaturach od 1,5 do 4°C powyżej zera absolutnego ekscytony utworzyły nadciekłą ciecz. Dalsze chłodzenie spowodowało przejście do stanu izolacji elektrycznej, który według naukowców jest prawdziwym stanem superstałym.
Jak wyjaśniła Jia Li, fizyk z Uniwersytetu Teksasu w Austin: * „Obserwacja fazy izolującej, która staje się nadciekła, jest bezprecedensowa. Zdecydowanie sugeruje, że faza w niskich temperaturach jest bardzo nietypowym ekscytonowym ciałem stałym”.*
Dlaczego to jest ważne
Odkrycie to jest znaczące, ponieważ potwierdza podstawowe przewidywania teoretyczne dotyczące zachowania materii w ekstremalnych temperaturach. Zdolność do naturalnego wywołania tego przejścia fazowego wskazuje na głębszą, wrodzoną stabilność tych egzotycznych stanów.
Konsekwencje wykraczają poza czystą fizykę. Zrozumienie supersolidów może odblokować nowe technologie: materiały o zerowym oporze mogą zrewolucjonizować transfer energii, a unikalne właściwości tych faz mogą prowadzić do nowych urządzeń kwantowych.
Co dalej?
Zespół planuje zbadać inne materiały i udoskonalić techniki pomiarowe, aby dokładniej scharakteryzować stan supertwardy ekscytonu. Corey Dean, fizyk z Uniwersytetu Columbia, stwierdził, że „Obecnie badamy granice tego stanu izolacyjnego, opracowując jednocześnie nowe narzędzia do bezpośredniego pomiaru tego stanu”.
To badanie nie jest tylko obserwacją dziwnego zjawiska; chodzi o poszerzenie granic naszego rozumienia materii i torowanie drogi dla przyszłych przełomów technologicznych.
Ostatecznie to odkrycie potwierdza, że wszechświat kryje jeszcze dziwniejsze niespodzianki, niż sobie wyobrażaliśmy, i że poszukiwania jego podstawowych praw jeszcze się nie skończyły.
