Новая Веха в Исследовании Квантовых Фаз Материи: Преобразование Суперфлюидов в Суперсолид

Научный мир продолжает открывать новые горизонты в области квантовой физики, особенно в исследованиях суперфлюидов и суперсолидов, уникальных состояний вещества, которые могут кардинально изменить наш взгляд на материю. Исследование, опубликованное в авторитетном журнале Nature, показало, что, используя экситоны — квазичастицы, образующиеся в двухслойном графене, — можно наблюдать фазовый переход от суперфлюида к суперсолиду.

Суперфлюиды, обнаруженные более 80 лет назад, известны своим нулевым вязкостным сопротивлением: они могут течь бесконечно, не теряя энергии. Однако о суперсолидных состояниях известно гораздо меньше. Это состояния материи, обладающие упорядоченной кристаллической решёткой, как у твёрдого тела, но сохраняющие свойства суперфлюидов. Научное сообщество всегда задавалось вопросом: возможно ли достичь такого состояния, охлаждая вещество до абсолютного нуля?

Команда учёных из Колумбийского университета и Университета Техаса в Остине сделала значительный шаг к ответу на этот вопрос, впервые наблюдая фазовый переход, где суперфлюид превращается в организованную структуру, подобную кристаллу. «Суперфлюидность обычно рассматривается как состояние низких температур. Наблюдение изолирующей фазы, которая переходит в суперфлюид, беспрецедентно. Это подтверждает, что низкотемпературная фаза является очень необычным экситонным солидом,» — отмечает Джиа Ли, соавтор исследования.

Важно подчеркнуть, что ранее учёные могли только манипулировать формированием суперсолидов при помощи лазеров и других оптических инструментов. В данном случае, чтобы получить суперсолид, команда использовала одноатомный слой графена, который может создавать экситоны при специфическом расположении двух слоёв — один из которых содержит лишние электроны, а другой — «дыры», оставшиеся после удаления электронов.

Графен стал идеальной средой для столь сложных экспериментов благодаря своей податливости: экситоны проявляют свойства суперфлюидов при высокой плотности, а при её уменьшении — переходят в изолирующее состояние. Интересно, что при повышении температуры экситоны снова начинают вести себя как суперфлюиды. Это открытие может изменить представление о квантовых состояниях материи, открывая новые горизонты для будущих исследований.

Специалисты подчеркивают, что управление суперфлюидами при помощи экситонов может оказаться более перспективным, чем работа с гелием. Экситоны в тысячи раз легче атомов гелия, что позволяет формировать суперфлюиды и суперсолиды при значительно более высоких температурах. Это, безусловно, стало бы важным шагом вперед в области сверхпроводимости и других квантовых технологий.

Исследования продолжаются, и учёные работают над новыми инструментами для более глубокого изучения этих уникальных состояний вещества. Как отметил Кори Дин, соавтор исследования: «Мы продолжаем исследовать границы этого изолирующего состояния, накапливая данные для более точного понимания.»

Эти открытия не только представляют собой важный вклад в фундаментальную физику, но и могут найти применение в разработке новых технологий, связанных с квантовыми вычислениями, сверхпроводимостью и другими областями, где предельные условия материи могут оказать значительное влияние на будущее науки и технологий.