Учёные совершили прорыв в квантовой физике, впервые зафиксировав переход сверхтекучего состояния материи в сверхтвёрдое – и последующее возвращение обратно. Этот обратимый фазовый сдвиг, подробно описанный в исследовании, опубликованном 28 января в журнале Nature, подтверждает ранее теоретическую возможность и открывает новые горизонты для понимания экзотических состояний материи.
Странный Мир Квантовых Фаз
Большинство людей знакомы с тремя распространёнными фазами: твёрдой, жидкой и газообразной. Однако при экстремальных условиях материя может существовать во многих других состояниях. Сверхтекучие жидкости – один из таких примеров: они текут без какого-либо сопротивления, даже образуя вечные квантовые вихри при перемешивании, и проявляются только при температурах, незначительно превышающих абсолютный ноль.
Сверхтвёрдые тела, теоретически возникающие из ещё более холодных сверхтекучих жидкостей, сочетают нулевую вязкость с кристаллической упорядоченностью. В отличие от обычных жидкостей, частицы в сверхтвёрдом теле располагаются в решётку, сохраняя при этом способность течь и формировать квантовые вихри.
Эксперимент и Ключевые Результаты
Предыдущие попытки создать сверхтвёрдые тела полагались на внешнее манипулирование, чтобы заставить частицы упорядочиться в решётчатую структуру. Новое исследование демонстрирует естественный фазовый переход: сверхтекучая жидкость спонтанно организуется в сверхтвёрдое тело при определённых условиях.
Для этого команда поместила два листа графена друг на друга и подвергла их воздействию сильного магнитного поля, создав «суп из экситонов». Экситоны, квазичастицы, образованные электронно-дырочными парами, вели себя неожиданно по мере охлаждения системы.
От Сверхтекучей Жидкости к Сверхтвёрдому Телу
При температурах от 2.7 до 7.2°F (1.5–4°C) выше абсолютного нуля экситоны образовали сверхтекучую жидкость. Дальнейшее охлаждение спровоцировало переход в электрически изолирующее состояние, которое исследователи считают подлинным сверхтвёрдым состоянием.
Как объяснил Цзя Ли, физик из Техасского университета в Остине: «Наблюдение изолирующей фазы, которая переходит в сверхтекучую, беспрецедентно. Это убедительно свидетельствует о том, что фаза при низких температурах является крайне необычным экситонным твёрдым телом.»
Почему Это Важно
Это открытие имеет значение, потому что оно подтверждает фундаментальные теоретические предсказания о поведении материи при экстремальных температурах. Возможность естественного индуцирования этого фазового перехода указывает на более глубокую, присущую стабильность этих экзотических состояний.
Последствия выходят за рамки чистой физики. Понимание сверхтвёрдых тел может открыть новые технологии: материалы с нулевым сопротивлением могут произвести революцию в передаче энергии, а уникальные свойства этих фаз могут привести к новым квантовым устройствам.
Что Дальше?
Команда планирует исследовать другие материалы и совершенствовать методы измерения, чтобы ещё лучше охарактеризовать экситонное сверхтвёрдое состояние. Кори Дин, физик из Колумбийского университета, заявил, что «В настоящее время мы исследуем границы этого изолирующего состояния, одновременно разрабатывая новые инструменты для его прямого измерения.»
Это исследование – не просто наблюдение за странным явлением; это расширение границ нашего понимания материи и прокладывание пути для будущих технологических прорывов.
В конечном счёте, это открытие подтверждает, что вселенная хранит ещё более странные сюрпризы, чем мы предполагали, и что поиск её фундаментальных законов ещё далёк от завершения.
