Фізики відкрили нову унікальну квантову властивість графену

Фізики повідомили про відкриття нової квантової фази у двошаровому графені, яка може бути близькою до стану надтвердості — поєднання властивостей твердої речовини та суперрідини. Результати дослідження опубліковані в журналі Nature і вже названі проривом у розумінні поведінки матеріалів на атомному рівні.

Команда під керівництвом Корі Діна з Колумбійського університету та Цзя Лі з Техаського університету в Остіні спостерігала, як екситони — квазічастинки, що утворюються з електронів і «дір» у різних шарах графену — переходять від стану суперрідини до ізолятора. Найбільш несподіваним стало те, що підвищення температури знову відновлювало суперрідинні властивості, що суперечить класичним уявленням про фазові переходи.

Унікальність експерименту полягає в тому, що ознаки надтвердості проявилися природним чином, без використання лазерних пасток, які раніше застосовували для спроб спостереження цього стану в гелії. У двошаровому графені надлишкові електрони та «дірки» утворили впорядкований візерунок, який при зміні густини демонстрував різні квантові властивості.

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

Термін «надтверде тіло» описує матеріал, що одночасно має кристалічну структуру та властивості суперрідини. Хоча прямого доказу цього стану поки немає, дослідники вважають результати дуже близькими до надтвердості. Вони планують нові 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 стати важливим кроком до контролю над квантовими фазами в умовах, значно простіших за наднизькотемпературні системи, і відкрити нові можливості для майбутніх технологій.