Когда мы охлаждаем обычное вещество, оно проходит знакомый путь: газ превращается в жидкость, а при дальнейшем охлаждении – в твердое тело. Однако квантовая материя не всегда подчиняется этим правилам. Более века назад ученые обнаружили, что гелий при экстремально низких температурах ведет себя неожиданно. Вместо того чтобы замерзнуть, он переходит из газообразного состояния в сверхтекучее – редкое состояние материи, в котором жидкость течет без какого-либо сопротивления и демонстрирует странные свойства, например, способность «выползать» из контейнера по его стенкам.
Долгое время физики задавались вопросом, что произойдет, если охладить сверхтекучую жидкость еще сильнее. Несмотря на десятилетия усилий, этот вопрос оставался без ответа почти полвека. Но недавнее исследование, опубликованное в журнале Nature, принесло поразительный результат. Команда под руководством физиков Кори Дина из Колумбийского университета и Цзя Ли из Техасского университета в Остине наблюдала, как сверхтекучая жидкость, обычно находящаяся в постоянном движении, внезапно остановилась.
«Мы впервые увидели, как сверхтекучая жидкость претерпевает фазовый переход в то, что, по-видимому, является сверхтвердым телом», – пояснил Дин. Это изменение можно сравнить с замерзанием воды в лед, но происходящим в квантовом мире. Классическое твердое тело определяется атомами, запертыми в жесткой, повторяющейся кристаллической структуре. Сверхтвердое тело – это квантовая версия той же идеи. Предполагается, что оно обладает упорядоченным, твердотельным строением, но при этом сохраняет свойства, обычно присущие жидкостям, включая течение без трения.
Такое сочетание делает сверхтвердые тела одним из самых необычных состояний материи, предсказанных физикой. Однако до сих пор ни один эксперимент не демонстрировал, как сверхтекучая жидкость естественным образом превращается в сверхтвердое тело. Это касается и гелия, и всех других известных форм материи. Некоторые лабораторные демонстрации имитировали сверхтвердые тела, но для этого использовались сложные установки с лазерами, которые заставляли частицы выстраиваться в узор, подобно тому как желе застывает в формочке для льда.
Команда Дина пошла другим путем, обратившись к графену – природному материалу, состоящему из одного слоя атомов углерода. Ученые создали систему из двух слоев графена, в которой могут существовать так называемые экситоны. Эти квазичастицы возникают, когда один слой содержит избыток электронов, а другой – избыток «дырок» (мест, оставшихся после ухода электронов). Поскольку электроны и дырки имеют противоположные заряды, они притягиваются и образуют пары – экситоны. Под действием сильного магнитного поля эти экситоны могут вести себя коллективно, образуя сверхтекучую жидкость.
В ходе эксперимента исследователи настраивали различные параметры, такие как температура и плотность экситонов, и заметили неожиданную закономерность. Когда экситоны были плотно упакованы, они свободно текли как сверхтекучая жидкость. Но по мере снижения плотности поток полностью прекращался, и система становилась изолятором. Удивительно, но повышение температуры восстанавливало сверхтекучесть, «расплавляя» этот изолятор. Такая последовательность противоречила устоявшимся представлениям о работе сверхтекучести.
«Сверхтекучесть обычно считается основным состоянием при низких температурах, – отметил Цзя Ли. – Наблюдение изолирующей фазы, которая плавится в сверхтекучую, беспрецедентно. Это убедительно доказывает, что низкотемпературная фаза является необычным экситонным кристаллом». Является ли это состояние полноценным сверхтвердым телом, пока остается открытым вопросом. По словам Дина, их методы измерений ограничены при работе с изоляторами, но команда уже создает новые инструменты для прямого изучения этого загадочного состояния.
Открытие может иметь далеко идущие последствия. Экситоны в тысячи раз легче атомов гелия, а значит, экзотические квантовые состояния на их основе можно будет создавать при гораздо более высоких температурах. Хотя сверхтвердые тела все еще не до конца изучены, эти результаты дают убедительные доказательства того, что двумерные материалы, такие как графен, сыграют центральную роль в раскрытии тайн этой удивительной фазы материи.
