Надплинна речовина: дивний стан матерії вперше зробили ще більш дивним

Фізики вперше спостерігали фазовий перехід квазічастинок під назвою екситони з надплинного стану в стан надплинного твердого тіла і назад. Це відкриває нові можливості для вивчення екстремальних станів матерії. По суті вчені змогли перетворити дивний стан речовини на ще дивніший, хоча в можливості такого перетворення вони не були навіть упевнені. Дослідження опубліковано в журналі Nature, пише Live Science.

У Фокус. Технології з'явився свій Telegram-канал. Підписуйтесь, щоб не пропускати найсвіжіші та найзахопливіші новини зі світу науки!

Фізики вперше спостерігали, як група екситонів, квазічастинок, що об'єднують електрон і електронну дірку, переходить зі стану надплинної рідини в стан надплинного твердого тіла. А також перехід назад у вихідний стан. Це схоже на те, як вода може перетворюватися з рідини на лід і назад.

Крім відомих нам станів речовини, газоподібного, рідкого і твердого, існує багато станів матерії, які існують тільки в екстремальних умовах.

• Надплинна рідина — це стан квантової рідини за температур близьких до абсолютного нуля, коли речовина переміщується без тертя. Він виникає, коли деякі частинки, як-от ізотопи гелію та ексітони, піддаються дуже сильному охолодженню. У такому стані речовина не є класичною рідиною і під час змішування частинки утворюють квантові вихори.
• Надтекучі тверді тіла — це стан матерії, який існує за ще більшого охолодження надтекучих рідин. У такому стані речовина зберігає нульову в'язкість надплинних рідин, але замість того, щоб частинки рухалися подібно до рідини, вони утворюють впорядковану структуру, подібну до кристалічної решітки, зберігаючи при цьому свою здатність текти й утворювати квантові вихори.

Раніше вчені вже могли створювати надтекучі тверді тіла і навіть спостерігали в них квантові вихори. Але такого стану матерії вдавалося досягти тільки за допомогою додаткового обладнання та енергії, щоб змусити частинки впорядкуватися в кристалічній решітці. Тепер же фізики спостерігали природний фазовий перехід з одного дивного стану матері в інший, ще більш дивний.

Фізики заявили, що вони вперше спостерігали як надплинна рідина перетворюється на надплинне тверде тіло і назад. І це справжній прорив у квантовій механіці.

Для цього вчені використовували два аркуші графена. Це дуже тонкий лист, що повністю складається з атомів вуглецю, розташованих дуже близько один до одного. Потім вони додали сильне магнітне поле й охолодили систему, щоб утворився екситонний "суп".

Під час охолодження до температури від 1,5 до 4 градусів Цельсія вище абсолютного нуля (мінус 273,15 градусів Цельсія) екситони утворювали надплинну рідину. Під час подальшого охолодження екситони переходили в нову фазу, що має електричні непровідні властивості, яку фізики вважають надплинним твердим тілом. Після цього частинки повернулися у вихідний стан.

Подальші дослідження допоможуть фізикам зрозуміти, як поводяться надтекучі тверді тіла і надтекучі рідини, і поглиблять наше розуміння фізики елементарних частинок. Водночас це досягнення вже відкриває нові можливості для вивчення екстремальних станів матерії. Описані вище квантові стани матерії можуть допомогти поліпшити наявні технології, а також поглибити наше розуміння устрою Всесвіту.

Як уже писав Фокус, фізики перевели 7000 атомів у стан кота Шредінгера і побили рекорд з найбільшої кількості макроскопічних об'єктів, які можна побачити у квантовій суперпозиції.

Також Фокус писав про те, що Ілон Маск збирається побудувати місто на Місяці. Хоча раніше Маск заявляв про те, що в пріоритеті у компанії SpaceX є освоєння Марса і будівництво там поселення, тепер виявилося, що плани змінилися.