Сверхтекучее вещество: странное состояние материи впервые сделали еще более странным

Физики впервые наблюдали фазовый переход квазичастиц под названием экситоны из сверхтекучего состояния в состояние сверхтекучего твердого тела и обратно. Это открывает новые возможности для изучения экстремальных состояний материи. По сути ученые смогли превратить странное состояние вещества в еще более странное, хотя в возможности такого превращения они не были даже уверены. Исследование опубликовано в журнале Nature, пишет Live Science.

У Фокус. Технологии появился свой Telegram-канал. Подписывайтесь, чтобы не пропускать самые свежие и захватывающие новости из мира науки!

Физики впервые наблюдали, как группа экситонов, квазичастиц, объединяющих электрон и электронную дырку, переходит из состояния сверхтекучей жидкости в состояние сверхтекучего твердого тела. А также переход обратно в исходное состояние. Это похоже на то, как вода может превращаться из жидкости в лед и обратно.

Кроме известных нам состояний вещества, газообразного, жидкого и твердого, существует много состояний материи, которые существуют только в экстремальных условиях.

• Сверхтекучая жидкость — это состояние квантовой жидкости при температурах близких к абсолютному нулю, когда вещество перемещается без трения. Оно возникает, когда некоторые частицы, такие как изотопы гелия и экситоны, подвержены очень сильному охлаждению. В таком состоянии вещество не является классической жидкостью и при смешивании частицы образуют квантовые вихри.
• Сверхтекучие твердые тела — это состояние материи, которое существует при еще большем охлаждении сверхтекучих жидкостей. В таком состоянии вещество сохраняет нулевую вязкость сверхтекучих жидкостей, но вместо того, чтобы частицы двигались подобно жидкости, они образуют упорядоченную структуру, подобную кристаллической решетке, сохраняя при этом свою способность течь и образовывать квантовые вихри.

Ранее ученые уже могли создавать сверхтекучие твердые тела и даже наблюдали в них квантовые вихри. Но такого состояния материи удавалось достичь только с помощью дополнительного оборудования и энергии, чтобы заставить частицы упорядочиться в кристаллической решетке. Теперь же физики наблюдали естественный фазовый переход из одного странного состояния матери в другое, еще более странное.

Физики заявили, что они впервые наблюдали как сверхтекучая жидкость превращается в сверхтекучее твердое тело и обратно. И это настоящий прорыв в квантовой механике.

Для этого ученые использовали два листа графена. Это очень тонкий лист, полностью состоящий из атомов углерода, расположенных очень близко друг к другу. Затем они добавили сильное магнитное поле и охладили систему, чтобы образовался экситонный "суп".

При охлаждении до температуры от 1,5 до 4 градусов Цельсия выше абсолютного нуля (минус 273,15 градусов Цельсия) экситоны образовывали сверхтекучую жидкость. При дальнейшем охлаждении экситоны переходили новую фазу, обладающую электрически не проводящими свойствами, которую физики считают сверхтекучим твердым телом. После этого частицы вернулись в исходное состояние.

Дальнейшие исследования помогут физикам понять, как ведут себя сверхтекучие твердые тела и сверхтекучие жидкости, и углубят наше понимание физики элементарных частиц. В то же время это достижение уже открывает новые возможности для изучения экстремальных состояний материи. Описанные выше квантовые состояния материи могут помочь улучшить существующие технологии, а также углубить наше понимание устройства Вселенной.

Как уже писал Фокус, физики перевели 7000 атомов в состояние кота Шредингера и побили рекорд по наибольшему количеству макроскопических объектов, наблюдаемых в квантовой суперпозиции.

Также Фокус писал о том, что Илон Маск собирается построить город на Луне. Хотя ранее Маск заявлял о том, что в приоритете у компании SpaceX является освоение Марса и строительство там поселения, теперь оказалось, что планы изменились.