Новая форма материи: физики доказали возможность существования «сверхтвердой жидкости» на уровне частиц

Физики из Колумбийского университета и Техасского университета в Остине впервые зафиксировали обратимый фазовый переход экситонов из сверхтекучего состояния в сверхтвердое. Результаты исследования, опубликованные 28 января в журнале Nature, демонстрируют формирование в двумерном материале квантовой фазы, которая сочетает свойства кристаллического порядка и сверхтекучести.

Эксперимент проводился на бислое графена — двух слоях углеродной решетки толщиной в один атом. Объектом изучения служили экситоны, образующиеся в двухслойной углеродной пленке толщиной в атом при сверхнизких температурах (около абсолютного нуля) и в сильном магнитном поле. Когда плотность экситонов была велика, они конденсировались в сверхтекучую фазу, демонстрируя нулевое сопротивление потоку. Ключевым открытием стал резкий переход: при дальнейшем охлаждении или уменьшении плотности сверхтекучесть разрушалась, и система внезапно становилась диэлектриком, полностью блокируя ток. Данное явление представляет собой новый тип квантового фазового перехода.

«Нам впервые удалось задокументировать, как сверхтекучая жидкость трансформируется в фазу, обладающую свойствами сверхтвердого тела», — пояснил Кори Дин, соавтор исследования из Колумбийского университета.

Особый интерес вызывает термическая устойчивость этого состояния: при нагревании вещество возвращалось в сверхтекучую форму. Фактически ученые наблюдали квантовый аналог привычного нам замерзания и таяния льда, но происходящий на уровне фундаментальных частиц, где классические законы физики уступают место квантовым эффектам.

Для справки, сверхтвердое состояние — теоретически предсказанная фаза, которая обладает кристаллической решеткой, как твердое тело, и одновременно способностью к бездиссипативному течению, как сверхтекучая жидкость. Ранее подобные состояния создавались искусственно в ультрахолодных атомных газах с помощью внешних лазерных ловушек, формирующих периодическую структуру. В новом эксперименте упорядочение, по-видимому, возникло спонтанно за счет взаимодействия между экситонами, что является ключевым отличием.

«Мы стали свидетелями уникального физического процесса — трансформации изолятора в сверхтекучую фазу. Наше открытие доказывает существование экситонного твердого тела при низких температурах, что ранее не удавалось подтвердить на практике», — подчеркнул Цзя Ли из Техасского университета.

Важно отметить, что текущие измерения ограничены, поскольку изолирующее состояние не проводит ток, что затрудняет его прямое исследование. Ученые разрабатывают новые методы диагностики. В будущем они планируют исследовать другие двумерные материалы, где экситонные конденсаты могут стабильно существовать при более высоких температурах и без сильных магнитных полей.

Источник: livescience.com