Новые горизонты в изучении квантовых состояний вещества: супертекучесть и супертвердость
Исследования в области квантовой физики продолжают удивлять ученых новыми открытиями, которые могут изменить наше понимание состояния вещества. На этот раз внимание привлекли квантовые состояния, известные как супертекучесть и супертвердость. В недавнем исследовании, опубликованном в журнале Nature, команда ученых из Колумбийского университета и Университета Техаса в Остине зафиксировала фазовый переход от супертекучего состояния к супертвердому, изучая квазичастицы, известные как экситоны, в двухслойной графеновой решетке.
Понимание супертекучести и супертвердости
Супертекучесть — это уникальное состояние, при котором жидкость обладает нулевой вязкостью и может течь бесконечно без потерь энергии. Это явление было впервые открыто в 1938 году, когда два независимых исследовательских коллектива обнаружили, что гелий, охлажденный до температуры около 2 К, превращается в супертекучую жидкость. Поскольку стадии материи в классическом понимании включают газы, жидкости и твердые тела, наличие квантового аналога твердого тела, известного как супертвердость, открывает новые горизонты в физике.
Супертвердость представляет собой состояние вещества, которое сочетает в себе кристаллическую структуру твердого тела и свойства супертекучих жидкостей. Исследование, проведенное упомянутыми учеными, может быть описано как создание супертвердого состояния, аналогичного замораживанию воды в лед.
Уникальные находки и их значения
По словам Дзя Ли, одного из авторов исследования, наблюдение того, как изолирующая фаза переходит в супертекучую, является беспрецедентным. Исходя из полученных данных, исследователи предполагают, что низкотемпературная фаза может представлять собой крайне необычное состояние экситонного твердого тела. До настоящего времени ни одно естественное вещество не было зафиксировано в переходе к супертвердости, его создание происходило лишь с помощью лазеров и других оптических приборов.
Графен, обладающий толщиной в один атом, стал ключевым элементом для новых экспериментов над экситонами — квазичастицами, которые возникают при определенной конфигурации двухслойного графена с переменным количеством электронов. Данные эксперименты показали, что при повышенной плотности экситоны ведут себя как супертекучая жидкость, в то время как при низкой плотности они становятся изоляторами. Это открытие имеет значительные теоретические и практические последствия, так как позволяет управлять квантовыми состояниями вещества.
Потенциал экситонов для будущих исследований
Контроль супертекучести с помощью экситонов может оказаться более перспективным, чем использование гелия, поскольку экситоны в тысячи раз легче атомов гелия. Это открывает возможности для создания супертекучих и супертвердых состояний при более высоких температурах. Такие достижения могут быть важны для разработки новых материалов, используемых в суперконтдукторах и квантовых вычислениях.
Как отметил Корри Дин, другой автор исследования, их команда продолжает изучать границы изолирующего состояния и разрабатывать новые инструменты для непосредственного измерения этих параметров. Будущее квантовых технологий зависит от глубины понимания таких сложных явлений, как супертекучесть и супертвердость, что в свою очередь может привести к революционным открытиям в различных областях науки.
Заключение
Таким образом, новое исследование подчеркивает важность экспериментов с квантовыми состояниями вещества и открывает новые возможности для их применения. Важно отметить, что данные результаты не только укрепляют наши знания о суперфлюидах и суперсолидностях, но и подчеркивают необходимость дальнейшего изучения этих уникальных свойств материи в будущем.
