Ученые открывают новые горизонты в области квантовой физики: переход от суперфлюида к суперсолиду

В последние десятилетия квантовая физика удивляет нас своим многообразием и загадочностью, и недавние исследования в этой области подтверждают это. Группа ученых из Колумбийского университета и Техасского университета в Остине провела groundbreaking исследование, в котором зафиксировала фазовый переход от суперфлюида к суперсолиду — квантовому состоянию материи, обладающему как кристаллической структурой твердого тела, так и бесплотным течением суперфлюидов.

Суперфлюиды, обладающие нулевой вязкостью, были открыты почти века назад. Однако, несмотря на их изучение, о суперсолидных состояниях известно гораздо меньше. Понимание этого феномена до сих пор оставалось сложной задачей для ученых, так как до последнего времени никому не удавалось зафиксировать естественный переход вещества в состояние суперсолидов. Исследование, опубликованное в журнале Nature, показывает, что данное явление может быть связано с экситонами, кварк-подобными частицами, которые возникают в двухслойном графене, когда одна из слоев имеет избыточное количество электронов, а другая — дырок, оставленных электронами.

По словам Джиа Ли, одного из авторов работы, зафиксированный переход от суперфлюида к изоляционному состоянию, а затем вновь обратно к суперфлюиду — это прецедент. «Это сильно намекает на существование необычного экситонного солидного состояния при низких температурах,» — говорит он.

На протяжении более чем семидесяти лет изучения квантовых состояний, ученые пытались добиться образования суперсолидов, используя лазеры и другую оптическую технику. Однако, в этом новом исследовании авторы применили одноатомный графен, что стало ключом к спонтанному образованию суперсолидов. Такой подход может значительно изменить методы работы научного сообщества в изучении квантовых веществ.

Интересно, что при высоких плотностях экситоны ведут себя как суперфлюиды, однако с уменьшением плотности они теряют подвижность и становятся изоляторами. Увеличение температуры приводит к тому, что экситоны вновь начинают вести себя как суперфлюиды. Это открытие предоставляет уникальные возможности для дальнейших исследований. По мнению Корри Дина, другого соавтора работы, «нам остается лишь спекулировать о границах этого изоляционного состояния, пока мы не создадим новые инструменты для его непосредственного измерения».

Использование экситонов для контроля над суперфлюидами может оказаться более жизнеспособным решением по сравнению с традиционными суперфлюидами на основе гелия. Экситоны, в тысячу раз легче атомов гелия, способны образовывать суперфлюиды и суперсолиды при значительно более высоких температурах, что является многообещающим для дальнейшего изучения. Исследования в этой области могут привести к новым открытиям в области квантовых технологий, включая создание высокоэффективных суперкожухов и термоэлектрических устройств.

Таким образом, новое исследование поднимает важные вопросы о природе материи на квантовом уровне и открывает новые перспективы для практического применения в области физики и технологий. Ожидается, что в будущем эти открытия предоставят дополнительные возможности для научных исследований и разработок в области квантовой физики.