Вперше в історії фізики довели, щощо квантова матерія може поєднувати властивості твердої речовини та рідини

Фізики зафіксували у двошаровому графені незвичайну квантову фазу, яка може бути близькою до стану надтвердості — поєднання властивостей твердої речовини та суперрідини. Як повідомляє журнал Nature, команда під керівництвом Корі Діна з Колумбійського університету та Цзя Лі з Техаського університету в Остіні спостерігала, як суперрідина несподівано втратила рухливість, що може свідчити про перехід у нову фазу.

У досліді надлишкові електрони в одному шарі графену та “дірки” в іншому утворили екситони — квазічастинки, які за певних умов поводяться як суперрідина. При високій концентрації екситонів система демонструвала властивості безтертєвого потоку, але зі зменшенням густини перетворювалася на ізолятор. За словами Цзя Лі, цей ефект є безпрецедентним, адже підвищення температури знову викликало появу суперрідинного стану, що суперечить класичним уявленням про фазові переходи.

Ілюстрація екситонів, що утворюють суцільний візерунок у двошаровому графені. Джерело: Корі Дін, Колумбійський університет

Термін “надтверде тіло” описує матеріал, який одночасно має кристалічну структуру та властивості суперрідини. Попередні спроби спостерігати такий стан, зокрема у гелію, не давали переконливих результатів без використання лазерних пасток. Новий експеримент на графені став першим, де подібні ознаки проявилися природним чином.

Хоча прямого доказу надтвердості поки немає, дослідники вважають результати дуже близькими до цього стану. Вони розробляють нові методики для вивчення ізоляційної фази та планують експерименти з іншими двошаровими матеріалами, які можуть стабілізувати екситони за вищих температур і без магнітного поля.

Роботу підтримали Міністерство енергетики США, Національний науковий фонд, Фонд Слоуна, Управління наукових досліджень ВПС США та Національна лабораторія високих магнітних полів. Відкриття може наблизити фізику до контролю над квантовими фазами в умовах, значно простіших за наднизькотемпературні системи на основі гелію.