Учёные впервые зафиксировали естественный фазовый переход сверхтекучей жидкости в сверхтекучее твёрдое тело и обратно. Эксперимент с экситонами показал, что эти экзотические состояния материи могут спонтанно сменять друг друга без внешнего «принуждения».
Физики впервые наблюдали, как экситоны — квазичастицы, состоящие из электрона и электронной дырки, — переходят из состояния сверхтекучей жидкости в состояние сверхтекучего твёрдого тела, а затем возвращаются обратно. Результаты работы опубликованы в журнале Nature.
Сверхтекучесть — одно из самых необычных квантовых состояний материи. В нём вещество течёт без трения, а частицы ведут себя не как классическая жидкость, а как единая квантовая система с вихрями и коллективными эффектами. Обычно такое состояние возникает при температурах, близких к абсолютному нулю, например у изотопов гелия или экситонов.
Сверхтекучее твёрдое тело считается ещё более экзотическим состоянием. В нём сохраняется нулевая вязкость сверхтекучей жидкости, но частицы при этом выстраиваются в упорядоченную структуру, похожую на кристаллическую решётку. Ранее подобные состояния удавалось получать только с помощью внешних воздействий — дополнительной энергии или сложного оборудования, которое заставляло частицы «вставать на места».
В новом эксперименте физики впервые зафиксировали самопроизвольный фазовый переход между этими состояниями. Для этого они использовали систему из двух слоёв графена — атомарно тонкого материала из углерода. В условиях сильного магнитного поля и экстремального охлаждения в системе образовался экситонный «суп».
При температурах примерно от 1,5 до 4 градусов выше абсолютного нуля экситоны находились в состоянии сверхтекучей жидкости. По мере дальнейшего охлаждения система неожиданно перешла в новую фазу — электрически изолирующую, с упорядоченной структурой частиц. Исследователи интерпретируют её как сверхтекучее твёрдое тело. При последующем изменении условий экситоны вернулись в исходное сверхтекучее жидкое состояние.
Авторы работы подчёркивают, что ранее не были уверены, возможен ли вообще такой обратимый переход без внешнего вмешательства. Наблюдение этого процесса расширяет представления о фазовых переходах в квантовой механике и показывает, что границы между экзотическими состояниями материи могут быть более подвижными, чем считалось.
В дальнейшем учёные планируют подробнее изучить свойства сверхтекучих твёрдых тел и механизм их формирования. Эти исследования могут оказаться важными не только для фундаментальной физики, но и для будущих технологий, связанных с квантовыми материалами и управлением коллективным поведением частиц.
Читать далее:
Вселенная внутри черной дыры: наблюдения «Уэбба» подтверждают странную гипотезу
Испытания ракеты Starship Илона Маска вновь закончились взрывом в небе
Сразу четыре похожих на Землю планеты нашли у ближайшей одиночной звезды
Обложка: freepik
