Кристалл, который умеет течь. Фундаментальное открытие, меняющее представление о материи
Законы окружающего мира оказались куда пластичнее наших ожиданий.
Команда физиков из США показала, что даже экзотические квантовые состояния вещества могут переходить друг в друга «естественным» образом, без дополнительных внешних ухищрений. В эксперименте удалось остановить характерное для сверхтекучести бесконечное движение, получив состояние, которое сочетает свойства кристалла и квантовой жидкости.
Учёные из Колумбийского университета в Нью-Йорке и Техасского университета в Остине сообщили о первом наблюдении фазового перехода сверхтекучего состояния в сверхтвёрдое на основе экситонов. Сверхтекучесть возникает при охлаждении частиц почти до абсолютного нуля, когда трение исчезает и жидкость способна течь без потерь, а при перемешивании формировать устойчивые квантовые вихри.
Сверхтвёрдое состояние устроено парадоксально. Нулевая вязкость и способность поддерживать квантовые вихри сохраняются, но сами частицы перестают свободно перемещаться и выстраиваются в упорядоченную решётку, похожую на кристалл. Ранее такие состояния уже получали в лабораториях, однако обычно требовались дополнительные поля и оборудование, которые принудительно «фиксировали» структуру. В новой работе переход, по описанию авторов, произошёл без подобных внешних подпорок.
В основе эксперимента были два слоя графена, то есть атомарно тонкого углеродного материала с «сотовой» решёткой. Систему поместили в сильное магнитное поле и охладили, чтобы сформировать «суп» из экситонов, квазичастиц, возникающих при возбуждении электрона и появлении дырки, вместе образующих электрически нейтральную пару. При температуре примерно 1,5-4 °C выше абсолютного нуля экситоны переходили в сверхтекучее состояние, а при дальнейшем охлаждении система становилась сверхтвёрдой.
Сейчас группа уточняет границы обнаруженного изолирующего режима и разрабатывает методы измерений, поскольку материал в этом состоянии не проводит ток. Отдельная задача связана с тем, что для появления сверхтекучих и сверхтвёрдых фаз требовалось сильное магнитное поле, поэтому учёные ищут альтернативные материалы, которые позволят обойтись без него. Интерес к экситонам объясняется тем, что они намного легче атомов гелия и способны формировать подобные квантовые состояния при сравнительно более высоких температурах. Результаты опубликованы в журнале Nature.