Вчені зробили прорив у квантовій фізиці, вперше зафіксувавши перехід надплинного стану речовини в надтвердий стан – і подальше повернення назад. Цей оборотний фазовий зсув, детально описаний у дослідженні, опублікованому 28 січня в журналі Nature, підтверджує раніше теоретичну можливість і відкриває нові горизонти для розуміння екзотичних станів матерії.
Дивний світ квантових фаз
Більшість людей знайомі з трьома поширеними фазами: твердою, рідкою та газоподібною. Однак за екстремальних умов матерія може існувати в багатьох інших станах. Суперфлюїди є одним із таких прикладів: вони течуть без будь-якого опору, навіть утворюючи вічні квантові вихори під час перемішування, і з’являються лише за температури трохи вище абсолютного нуля.
Супертверді тіла, теоретично виникають із ще більш холодних надтекучих речовин, поєднують нульову в’язкість із кристалічним порядком. На відміну від звичайних рідин, частинки в надтвердому тілі розташовані в решітку, зберігаючи при цьому здатність текти і утворювати квантові вихори.
Експеримент і ключові результати
Попередні спроби створити надтверді тіла покладалися на зовнішні маніпуляції, щоб змусити частинки організувати себе в структуру решітки. Нове дослідження демонструє природний фазовий перехід: надплинна рідина спонтанно організовується в надтверду речовину за певних умов.
Для цього команда поклала два листи графену один на одного та піддала їх сильному магнітному полю, створивши «суп екситонів». Екситони, квазічастинки, утворені електронно-дірковими парами, поводилися несподівано під час охолодження системи.
Від надплинної рідини до надтвердої речовини
При температурах від 2,7 до 7,2 °F (1,5–4 °C) вище абсолютного нуля екситони утворювали надплинну рідину. Подальше охолодження викликало перехід до електроізоляційного стану, який, на думку дослідників, є справжнім надтвердим станом.
Як пояснив Цзя Лі, фізик з Техаського університету в Остіні: «Спостереження ізоляційної фази, яка стає надтекучою, є безпрецедентним. Це переконливо свідчить про те, що фаза при низьких температурах є дуже незвичайним екситонним твердим тілом».*
Чому це важливо
Це відкриття є значущим, оскільки воно підтверджує фундаментальні теоретичні передбачення щодо поведінки речовини при екстремальних температурах. Здатність природним чином викликати цей фазовий перехід вказує на глибшу, притаманну стабільність цих екзотичних станів.
Наслідки виходять за рамки чистої фізики. Розуміння надтвердих речовин може відкрити нові технології: матеріали з нульовим опором можуть революціонізувати передачу енергії, а унікальні властивості цих фаз можуть призвести до нових квантових пристроїв.
Що далі?
Команда планує досліджувати інші матеріали та вдосконалювати методи вимірювання для подальшої характеристики надтвердого стану екситонів. Корі Дін, фізик з Колумбійського університету, заявив, що * «ми зараз досліджуємо межі цього ізоляційного стану, розробляючи нові інструменти для його прямого вимірювання».*
Це дослідження — не просто спостереження дивного явища; йдеться про розширення меж нашого розуміння матерії та прокладання шляху для майбутніх технологічних проривів.
Зрештою, це відкриття підтверджує, що Всесвіт готує ще дивніші сюрпризи, ніж ми собі уявляли, і що пошук його фундаментальних законів далекий від завершення.
