Физики впервые наблюдали обратимый фазовый переход экситонов, разновидности квазичастиц, из сверхтекучего состояния в сверхтекучее твердое, что открывает новые возможности для изучения экстремальных состояний вещества.
Иллюстрация, на которой экситоны образуют сплошной узор в двухслойном графене. Впервые физики наблюдали, как сверхтекучая жидкость превращается в сверхтвердое тело и обратно. (Изображение предоставлено Кори Дином, Колумбийский университет)
Ученые только что стали свидетелями того, как одна странная фаза материи превратилась в еще более странную. Впервые они увидели, как сверхтекучая жидкость превращается в сверхтвердое тело — переход, в возможности которого они не были уверены.
В исследовании, опубликованном 28 января в журнале Nature, ученые наблюдали, как группа экситонов — квазичастиц, представляющих собой комбинацию электрона и электронной дырки, — переходила из сверхтекучего состояния в сверхтвердое и обратно. Впервые удалось зафиксировать, как экситоны конденсируются в сверхтвердое состояние, претерпевая обратимый фазовый переход, подобный тому, как вода превращается из жидкости в лед и обратно.
Тайные фазы материи
Существует гораздо больше фаз вещества, чем те три, с которыми мы сталкиваемся каждый день (газы, жидкости и твердые тела), хотя большинство из них существуют только в экстремальных условиях. Сверхтекучие жидкости — это особый тип вещества, который возникает только при охлаждении некоторых частиц, таких как изотопы гелия и экситоны, до температуры чуть выше абсолютного нуля — полного отсутствия тепла. Они не совсем жидкости — они текут без сопротивления из-за трения — и при перемешивании образуют крошечные вечные вихри, называемые квантовыми вихрями.
С другой стороны, сверхтвердые тела — это гипотетическое состояние вещества, которое возникает при еще большем охлаждении сверхтекучих жидкостей. Они сохраняют нулевую вязкость сверхтекучести, но вместо того, чтобы частицы двигались в жижеобразном состоянии, они образуют упорядоченную структуру, подобную кристаллической решетке, сохраняя при этом способность течь и образовывать квантовые вихри.
Сверхтекучие состояния уже удавалось получить в лабораторных условиях, в том числе в 2021 году, когда исследователи создали двумерный сверхтекучий диспрозий, и в 2024 году, когда они увидели квантовые вихри в сверхтекучем состоянии. Однако этого удалось добиться только с помощью дополнительного оборудования и энергии, которые позволили сжать частицы в упорядоченную решётку. Новое исследование, напротив, демонстрирует естественный фазовый переход.
«Впервые мы стали свидетелями того, как сверхтекучая жидкость претерпевает фазовый переход и становится чем-то вроде сверхтвёрдого тела», — Кори Дин, физик из Колумбийского университета и соавтор исследования, сказал в заявлении.
Исследуя новые границы
Для этого исследователи поместили два кусочка графена — очень тонкого листа бумаги, полностью состоящего из атомов углерода, — очень близко друг к другу. Затем они создали сильное магнитное поле и охладили систему, чтобы образовался экситонный «суп».
При охлаждении до температуры от 2,7 до 7,2 градуса по Фаренгейту (от 1,5 до 4 градусов по Цельсию) выше абсолютного нуля экситоны образовывали сверхтекучую жидкость. При дальнейшем охлаждении экситоны переходили в загадочную новую фазу с плохой проводимостью, которая, как предполагает команда исследователей, является предполагаемым сверхтвердым состоянием.
«Сверхтекучесть обычно считается низкотемпературным основным состоянием, — говорится в заявлении Цзя Ли, физика из Техасского университета в Остине и соавтора исследования. — Наблюдение за изолирующей фазой, которая переходит в сверхтекучую, не имеет аналогов. Это убедительно свидетельствует о том, что низкотемпературная фаза представляет собой крайне необычное экситонное твердое тело».
Команда исследователей изучает другие материалы для тестирования, а также ищет новые способы измерения и изучения сверхтвердого экситонного состояния.
«Сейчас мы изучаем границы этого изолирующего состояния и разрабатываем новые инструменты для его непосредственного измерения», — сказал Дин. Дальнейшие исследования помогут ученым понять, как ведут себя сверхтекучие и сверхтекуче-текучие вещества, углубить наши знания в области физики элементарных частиц и найти применение сверхтекучим веществам при более высоких температурах. Пишет livescience.