Уникальный эксперимент провели физики из Колумбийского университета в Нью-Йорке и Техасского университета в Остине: впервые в мире осуществлено прямое превращение квантовой сверхтекучей жидкости в сверхтвёрдое тело, используя исключительно экситоны. Этот прорыв можно сравнить с замерзанием текучей воды в лёд, однако он происходит на квантовом уровне. Сверхтекучая жидкость, характеризующаяся способностью течь без трения и формировать устойчивые квантовые вихри, была остановлена и переведена в упорядоченную структуру.
Сверхтвёрдое тело – это необычное состояние материи, которое объединяет кристаллическую структуру обычного твёрдого тела и отсутствие вязкости, характерное для сверхтекучей жидкости. До этого момента создание подобных состояний требовало использования сложного лабораторного оборудования и энергетических полей, которые заставляли частицы упорядочиваться. Однако в ходе данного эксперимента переход между состояниями произошёл спонтанно, без какого-либо воздействия извне.
В ходе эксперимента исследователи использовали две ультратонкие пластины графена, расположили их в мощном магнитном поле и понизили температуру до экстремально низких значений, чтобы сформировать «суспензию» из экситонов. Экситоны – это квазичастицы, образующиеся при возбуждении электрона и способные переносить энергию. При охлаждении до температур, лишь на 1,5–4 градуса Цельсия превышающих абсолютный ноль, экситоны образовали сверхтекучую среду. Последующее понижение температуры вызвало её самопроизвольный переход в сверхтвёрдое состояние.
Ученые отмечают исключительность данного открытия: обычно сверхтекучесть выступает в качестве основного состояния при низких температурах. Однако наблюдение фазы изолятора, трансформирующегося в сверхтекучую жидкость посредством процесса, напоминающего «плавление», является уникальным случаем. Это свидетельствует о том, что низкотемпературная фаза представляет собой весьма неординарное экситонное твёрдое тело. В настоящее время группа специалистов исследует пределы существования этого изолирующего состояния и разрабатывает новые способы его изучения, поскольку материал не проводит электрический ток. Кроме того, ведется поиск других веществ, способных проявлять аналогичные характеристики без необходимости применения мощного магнитного поля. Работа с экситонами представляется многообещающей, поскольку они значительно легче атомов гелия и способны формировать квантовые состояния при более высоких температурах. Исследование, направленное на более глубокое понимание фундаментальных основ материи, было в журнале Nature.