Квантовый метаморфоз: впервые зафиксировано превращение сверхтекучей жидкости в сверхтвёрдое тело
Учёные впервые наблюдали, как одна причудливая фаза материи превращается в ещё более странную. Им удалось увидеть переход сверхтекучей жидкости в сверхтвёрдое тело — превращение, в возможность которого исследователи не были до конца уверены.
В исследовании, опубликованном 28 января в журнале Nature, группа учёных зафиксировала, как экситоны — квазичастицы, представляющие собой связанную пару из электрона и дырки, — преобразовались из сверхтекучего состояния в сверхтвёрдое и обратно. Это первый случай, когда экситоны были замечены в процессе конденсации в сверхтвёрдое тело, претерпевая обратимый фазовый переход, подобный превращению воды в лёд и обратно.
Скрытые состояния материи
Существует гораздо больше фаз материи, чем три привычных нам (газ, жидкость, твёрдое тело), хотя большинство этих экзотических состояний существуют лишь в экстремальных условиях. Сверхтекучесть возникает, когда определённые частицы, такие как изотопы гелия или экситоны, охлаждаются до температур, близких к абсолютному нулю — полному отсутствию тепла. Это не совсем жидкость — она течёт без трения и сопротивления, а при вращении образует миниатюрные «вечные торнадо», называемые квантовыми вихрями.
Сверхтвёрдые тела, с другой стороны, — это теоретическое состояние материи, которое должно возникать при дальнейшем охлаждении сверхтекучей жидкости. Они сохраняют нулевую вязкость сверхтекучести, но вместо хаотичного движения частиц в «капле» жидкости образуют упорядоченную кристаллическую решётку, одновременно сохраняя способность течь без трения и формировать квантовые вихри.
Сверхтвёрдые тела уже создавались в лабораториях ранее, в том числе в 2021 году (двумерный сверхтвёрдый диспрозий) и в 2024 году (наблюдение квантовых вихрей в сверхтвёрдом теле). Однако тогда учёные использовали дополнительное оборудование и энергию, чтобы «заставить» частицы выстроиться в решётку. Новое же исследование демонстрирует естественный, спонтанный фазовый переход.
«Впервые мы увидели, как сверхтекучая жидкость претерпевает фазовый переход и становится тем, что выглядит как сверхтвёрдое тело», — заявил соавтор исследования, физик Колумбийского университета Кори Дин.
На грани невозможного
Чтобы добиться этого, исследователи разместили два листа графена — невероятно тонких «листов» из атомов углерода — чрезвычайно близко друг к другу. Затем они приложили сильное магнитное поле и охладили систему, чтобы сформировать «суп» из экситонов.
При охлаждении до диапазона всего 1,5–4 градуса Цельсия выше абсолютного нуля экситоны сформировали сверхтекучую жидкость. При дальнейшем охлаждении они превратились в новую, электрически изолирующую и загадочную фазу, которую команда подозревает в том, что она и есть теоретическое сверхтвёрдое состояние.
«Сверхтекучесть обычно считается низкотемпературным основным состоянием. Наблюдение изолирующей фазы, которая «плавится» в сверхтекучую, беспрецедентно. Это strongly указывает на то, что низкотемпературная фаза представляет собой крайне необычный экситонный кристалл», — пояснила соавтор исследования, физик Техасского университета в Остине Цзя Ли.
Команда сейчас исследует другие материалы для проведения аналогичных тестов, а также ищет новые способы измерения и изучения сверхтвёрдого состояния экситонов.
«Сейчас мы исследуем границы этого изолирующего состояния, одновременно создавая новые инструменты для его прямого измерения», — отметил Кори Дин. Дальнейшие исследования помогут учёным понять поведение сверхтвёрдых тел и сверхтекучих жидкостей, углубить знания в области физики частиц и, возможно, приблизиться к практическому применению этих состояний при более высоких температурах. Это открывает путь к совершенно новому пониманию квантового мира и созданию материалов с невиданными свойствами.
