Научное открытие: Переход от суперфлюида к супертвердому состоянию материи зафиксирован в графене

Недавние исследования, проведенные группой ученых из Колумбийского университета и Университета Техаса в Остине, пролили свет на уникальные состояния материи, которые могут привести к революции в понимании квантовых явлений. Научная команда зафиксировала фазовый переход от суперфлюида к супертвердому состоянию, который произошел с использовании экситонов в двухслойном графене — выдающимся материале, представляющим собой всего лишь одноатомный слой углерода.

Суперфлюиды известны своим нулевым уровнем вязкости, что позволяет им течь без потерь энергии. Их уникальные свойства были открыты почти столетие назад, однако вопросы о том, можно ли достичь аналогичного состояния твердых тел — супертвердого состояния (суперсолид) — оставались неизученными. В классическом представлении мы знаем о трех состояниях материи: газе, жидкости и твердом теле. Но при температурах, приближающихся к абсолютному нулю, возникают странные квантовые эффекты, меняющие привычные законы физики.

Первые эксперименты по исследованию суперфлюидов и супертвердых состояний, которые включали применение лазеров и оптических приборов, не смогли зафиксировать естественных переходов, происходящих в элементарных веществах. Тем не менее, новое открытие, сделанное в исследовании, опубликованном в журнале Nature, демонстрирует, что на основе графена, тончайшего двумерного материала, возможно наблюдать образование супертвердого состояния.

«Суперфлюидность обычно считается основным состоянием при низких температурах», — отметил Джиа Ли, один из авторов исследования. «Наблюдая переход из изолирующего состояния в суперфлюидное, мы впервые получаем доказательства существования необычного экситонного солидного состояния».

Экситоны, возникающие в графене, представляют собой квазичастицы, образующиеся при расположении двух слоев материала таким образом, что один из них содержит избыточные электроны, а другой — «дырки», оставленные электронами. В сочетании с мощным магнитным полем это позволяет формировать суперфлюиды. Экситоны обладают легкостью, превышающей массу атомов гелия в тысячи раз, что открывает возможности для формирования суперфлюидов и супертвердых состояний при более высоких температурах.

По последним данным Центра по исследованию квантовых технологий, такие достижения могут не только изменить представление о физике материи, но и открыть новые горизонты в области создания более эффективных сверхпроводников и других квантовых устройств.

«Пока мы можем только спекулировать относительно полноты наших наблюдений», — говорит Корри Дин, еще один из авторов исследования. «Наша способность исследовать изолирующие состояния ограничена, но мы продолжаем границы этого изолирующего состояния, разрабатывая новые инструменты для его измерения».

Таким образом, работы в области изучения суперфлюидов и супертвердого состояния ведут к новым возможностям в квантовой физике и могут положить начало прорывам в технологиях, основанных на этих уникальных свойствах материи. Учёные настоятельно призывают к дальнейшим исследованиям, чтобы окончательно прояснить природу обнаруженного явления и его потенциал в практическом применении.