Коли неможливе стає реальністю: фізики побачили, як надплинність зникає
У світі квантової фізики звичні для нас закони поводяться дивно. Там матерія може текти без тертя, частинки — існувати водночас у кількох станах, а тверде й рідке — поєднуватися в одному явищі. І саме до цієї категорії належить нове відкриття, яке спантеличило науковців: дослідники вперше спостерігали, як надплинна система… зупинилася.
А це, здавалося б, неможливо.
Що таке надплинність — і чому вона не повинна зникати
Ще у 1938 році фізики з’ясували: якщо охолодити гелій майже до абсолютного нуля (близько 2 кельвінів), він переходить у дивний стан — надплинність. У цьому стані рідина втрачає в’язкість і може текти нескінченно довго без втрати енергії. Вона буквально «ігнорує» тертя.
У класичному світі ми знаємо три основні стани речовини — тверде, рідке й газоподібне (плюс плазму). Але на межі абсолютного нуля починається квантова екзотика. І тут виникає логічне питання: якщо існує квантовий аналог рідини — надплинність, то чи є квантовий аналог твердого тіла?
Теоретично — так. Його називають надтвердим станом або supersolid. Це парадоксальна форма матерії, яка має кристалічну структуру, як у твердого тіла, але водночас зберігає здатність текти без тертя.
Експеримент із графеном
У новому дослідженні, опублікованому в журналі Nature, команда фізиків із Колумбійського університету та Техаського університету в Остіні описала явище, яке дуже нагадує перехід від надплинності до надтвердого стану — своєрідний квантовий аналог замерзання води.
Але замість гелію вчені використали графен — матеріал завтовшки лише в один атом. Якщо скласти два шари графену особливим чином — так, щоб в одному було більше електронів, а в іншому залишалися «дірки» від їхньої відсутності, — утворюються квазічастинки, які називаються екситонами.
Під впливом сильного магнітного поля ця система може поводитися як надплинність.
І ось тут почалося найцікавіше.
Надплинність, що зупинилася
За високої щільності екситони рухалися як надплинна рідина — без опору. Але коли щільність зменшили, рух раптово припинився: система стала ізолятором. Іншими словами, те, що повинно текти безкінечно, перестало текти.
А коли температуру трохи підвищили — рух повернувся.
Такий ефект може свідчити про фазовий перехід у надтвердий стан: система ніби «замерзає», але зберігає квантові властивості. Утім, самі автори поки що обережні у висновках. Вони не виключають, що спостережуваний стан можна пояснити й по-іншому — як особливу форму екситонної надплинності.
Чому це важливо
Раніше надтвердий стан вдавалося створити лише за допомогою складних лазерних установок. Природного, спонтанного переходу до такого стану ще ніхто не бачив. Якщо нові результати підтвердяться, це стане першим переконливим прикладом такого явища.
Є й практичний аспект. Екситони набагато легші за атоми гелію — у тисячі разів. Це означає, що подібні квантові стани можуть виникати за вищих температур, ніж у випадку з гелієм. А це вже відкриває перспективи для технологій — від нових типів електроніки до майбутніх квантових пристроїв.
У квантовому світі навіть «зупинка» може означати прорив. І те, що колись здавалося теоретичною екзотикою, дедалі частіше стає експериментальною реальністю.
