Новый шаг в изучении квантовой материи: исследователи обнаружили переход суперфлюида в суперкристалл
Недавнее исследование, проведенное учеными из Колумбийского университета и Университета Техаса в Остине, установило новый рубеж в области квантовой физики, продемонстрировав переход из состояния суперфлюида в так называемый суперкристалл. Это открытие может коренным образом изменить наше понимание материи на квантовом уровне.
Суперфлюиды, обладающие нулевым значением вязкости, известны ученым уже почти столетие. Однако суперкристаллы, которые обладают как кристаллической структурой твердого тела, так и свойствами суперфлюидов, оставались предметом споров и теоретических исследований. В частности, вопрос о том, можно ли при дальнейшем охлаждении сверхжидкостей достичь состояния, близкого к твердому телу, получал множество интерпретаций без фактического подтверждения.
Ученые, представившие свои результаты в журнале Nature, подтвердили наличие фазового перехода из состояния суперфлюида в суперкристалл на примере экситонов — квазичастиц, образующихся в бислое графена. Это открытие можно считать значительным шагом вперед, так как до сих пор удавалось создать суперкристаллы лишь в лабораторных условиях с использованием лазеров и других оптических методов, что указывало на искусственное происхождение таких состояний.
По словам Джиа Ли, соавтора исследования из Университета Техаса, наблюдение за тем, как изоляционное состояние переходит в суперфлюид, беспрецедентно. «Это свидетельствует о том, что низкотемпературная фаза является необычным экситонным твердом,» — отметил он в пресс-релизе.
Для создания квазичастиц экситонов в рамках исследования использовались два слоя графена, один из которых имел избыточные электроны, а другой — «дыры» от выбитых электронов. В сочетании с сильным магнитным полем это привело к образованию суперфлюидов. Как выяснили исследователи, экситоны ведут себя как суперфлюиды при высокой плотности, но с уменьшением плотности переходят в изоляционное состояние. При этом увеличение температуры вновь возвращает их в состояние суперфлюида.
Это открытие предоставляет уникальную возможность глубже понять природу экситонов и потенциальные применения, включая создание более эффективных сверхпроводников. Экситоны, обладая массой в тысячи раз меньшей, чем атомы гелия, могут позволять образовывать суперфлюиды и суперкристаллы при более высоких температурах, что открывает новые горизонты для технологий в области квантовой физики.
Тем не менее, авторы исследования подчеркивают, что необходимо дальнейшее изучение обнаруженного изоляционного состояния, прежде чем делать окончательные выводы о природе наблюдаемого эффекта. Как отметил Кори Дин, еще один соавтор работы, «наши возможности исследовать изоляторы остаются ограниченными, и сейчас мы находимся на этапе изучения границ этого состояния».
Данное исследование не только укрепляет существующие теории о фазовых переходах в квантовой материи, но и подтверждает, что будущее квантовых технологий возможно связано непосредственно с изучением новых состояний материи и их практическим применением.
Направление, представленное в этом исследовании, потенциально может способствовать развитию новых материалов и технологий, включая к квантовым компьютерам и эффективным системам хранения энергии, что делает его особенно актуальным для научного сообщества и промышленности.
Источники:
1. Nature, “Phase Transition from Superfluid to Supersolid,” (в ожидании публикации)
2. Подробный анализ свойств экситонов в графене: Доклад Института графеновых технологий.
