Переход от сверхжидкости к сверхтвердости: новое открытие в области квантовой физики

Квантовые состояния материи, такие как сверхжидкости и сверхтвердые вещества, давно привлекают внимание ученых. На протяжении почти ста лет известно о существовании сверхжидкостей — флуидов с нулевой вязкостью, способных бесконечно течь без потери энергии. Однако сведения о сверхтвердых веществах, обладающих кристаллической структурой твердого тела и одновременно свойствами сверхжидкостей, оставались ограниченными до недавнего времени.

Согласно новым исследованиям, опубликованным в журнале Nature, ученые из Колумбийского университета и Университета Техаса в Остине зафиксировали фазовый переход от сверхжидкости к сверхтвердости, используя квазичастицы, известные как экситоны, в двухслойном графене. Этот процесс, возможно, можно также охарактеризовать как экзитоническую сверхжидкость.

Научные эксперименты в квантовом порядке часто выходят за рамки привычных представлений о физике. Традиционно выделяют три состояния материи: газы, жидкости и твердые вещества. Однако при приближении к абсолютному нулю возникает предельно странное квантовое поведение. В 1938 году два независимых научных коллектива установили, что охлаждение гелия до температуры около 2 К преобразует его в сверхжидкость с нулевой вязкостью. Возникает вопрос: может ли продолжение охлаждения создать квантовый аналог твердого состояния — известный как сверхтвердое вещество?

Исследование, проведенное группой ученых, привлекло внимание научного сообщества тем, что зафиксировало переход из изолирующей фазы в сверхжидкость, который «принято рассматривать как устойчивое состояние при низких температурах». Это открытие открывает новые горизонты в понимании экситонных твердых тел, которые до сих пор не наблюдались в естественных условиях.

По словам одного из авторов исследования, Цзя Ли из Университета Техаса: «Наблюдение за изолирующей фазой, переходящей в сверхжидкость, совершенно прецедентно. Это сильнее всего указывает на то, что низкотемпературная фаза является высоко необычным экситонным твердым телом». Ранее исследования, вызывающие образование сверхтвердости, основывались на использовании лазеров и оптического оборудования. Теперь же группам исследователей удалось добиться этого процесса с использованием одноатомного графена.

Графен, обладая уникальными свойствами, может поддерживать экситон — квазичастицу, если два слоя организованы таким образом, что один из них имеет избыток электронов, а другой — избыток дырок. Добавление сильного магнитного поля создает условия для формирования сверхжидкости. По данным совета по исследованию графена, этот материал весьма привлекательный для таких экспериментов благодаря необычным отношениям между экситонами и температурой. При высокой плотности экситоны проявляют себя как сверхжидкость, но при снижающейся плотности переходят в изолятор.

Это открытие имеет серьезные последствия для квантовой физики, так как оно может указывать на возможность создания высокотемпературных сверхжидкостей и сверхтвердых веществ, что откроет новые горизонты для технологий, основанных на сверхпроводимости.

Кори Дин из Колумбийского университета отметил: «Мы должны оставить место для спекуляций, поскольку наши возможности исследовать изоляторы ограничены». Исследования продолжаются, и ученые продолжают разрабатывать новые инструменты для прямого измерения этих состояний.

Таким образом, перспектива управления сверхжидкостью с использованием экситонов может привести к созданию более эффективных материалов, чем гелий, так как квазичастицы в тысячи раз легче атомов гелия. Это открытие является важным шагом в раскрытии потенциальных приложений в области квантовой физики и технологий, таких как квантовые компьютеры и сверхпроводники, которые ожидают своего часа на высоких температурах.