Кристалл, который течет: графен раскрывает тайну сверхтвердого состояния

Представьте воду, которая, остывая, не просто становится льдом, а превращается в странную субстанцию, одновременно обладающую жесткостью кристалла и способностью идеальной жидкости просачиваться сквозь стены. Это не фантастика, а одна из величайших загадок квантового мира — гипотетическое сверхтвердое состояние. На протяжении полувека физики пытались поймать момент, когда сверхтекучая жидкость, лишенная вязкости и трения, при дальнейшем охлаждении обретает кристаллический порядок, не теряя своих «магических» свойств. Новое исследование опубликованное в журнале Nature, наконец приоткрывает завесу над этой тайной, и ключевую роль в нем сыграл не гелий, а удивительный материал современности — графен.

Твердое и жидкое одновременно: сущность сверхтвердого тела

В классической физике все четко: газ конденсируется в жидкость, жидкость замерзает в твердое тело. В квантовом мире правила иные. Когда гелий охлаждают почти до абсолютного нуля, он становится сверхтекучей жидкостью — она может подниматься по стенкам сосуда, протекать через микроскопические трещины без трения и вечно циркулировать в замкнутом кольце. Следующий логичный вопрос: что будет, если охладить ее еще сильнее?

Теория предсказывала существование сверхтвердого тела — парадоксальной фазы, где атомы образуют жесткую кристаллическую решетку, как в алмазе, но при этом могут двигаться сквозь нее без сопротивления, как в сверхтекучести. Это подобно ожившему ледяному дворцу, где лед течет, как вода, но сохраняет свою форму. Несмотря на долгие годы поисков в сверхтекучем гелии, убедительных доказательств этого перехода в природных системах найдено не было. Исследователи создавали лишь искусственные аналоги, используя лазеры и ультрахолодные атомные газы в оптических ловушках, но мечта увидеть спонтанное образование сверхтвердого тела оставалась недостижимой.

Графен: неожиданная арена для квантового переворота

Прорыв совершила группа ученых под руководством Кори Дина и Цзя Ли, которые обратили внимание на двумерный материал — графен. Его уникальность заключается в возможности создания внутри него особых квазичастиц — экситонов. Когда два сверхтонких слоя графена совмещают, а затем с помощью света создают в одном избыток электронов, а в другом — «дырок» (отсутствующих электронов), эти противоположно заряженные частицы связываются в пары, образуя экситоны. Под воздействием сильного магнитного поля эти пары могут коллективно вести себя как сверхтекучая жидкость.

Именно здесь и началось самое интересное. Ученые, манипулируя плотностью экситонов и температурой, обнаружили поразительный эффект. При высокой плотности квазичастицы демонстрировали сверхтекучие свойства. Однако при снижении плотности движение внезапно замирало, и система превращалась в изолятор — состояние, в котором ток не течет. Более того, при последующем повышении температуры сверхтекучесть возвращалась.

«Это беспрецедентно, — объясняет Цзя Ли. — Обычно сверхтекучесть — это основное, самое низкоэнергетическое состояние при охлаждении. Здесь же мы видим, как изолирующая фаза «плавится» и переходит в сверхтекучую. Это сильнейший аргумент в пользу того, что эта низкотемпературная изолирующая фаза и есть то самое необычное экситонное твердое тело, возможно, сверхтвердое».

Загадка, требующая новых инструментов

Окончательно подтвердить, что наблюдаемое состояние — именно сверхтвердое тело, пока сложно. Как отмечает Кори Дин, стандартные методы измерения свойств здесь бессильны: изолятор не проводит ток, а значит, нельзя напрямую изучить его внутреннюю структуру и проверить, обладает ли она одновременно кристаллическим порядком и сверхтекучестью.

Сейчас команда исследователей работает над созданием новых экспериментальных инструментов, которые позволят «заглянуть» внутрь этого изолирующего состояния и исследовать его границы.

Будущее: квантовые состояния при комнатной температуре?

Это открытие прокладывает путь к еще более смелым исследованиям. Экситоны в графене в тысячи раз легче атомов гелия, а это значит, что связанные с ними квантовые явления, такие как сверхтекучесть и сверхтвердость, в принципе могут существовать при значительно более высоких, возможно, даже комнатных температурах. Ученые уже изучают другие слоистые материалы, такие как дихалькогениды переходных металлов, которые могут стабилизировать экситоны без помощи мощных магнитов.

Таким образом, вековая мечта физиков — не только обнаружить, но и научиться управлять сверхтвердым состоянием — начинает обретать реальные черты. Графен и ему подобные двумерные материалы становятся идеальными «квантовыми лабораториями», где можно тонко настраивать параметры и открывать новые экзотические фазы материи. История сверхтвердых тел выходит на новый виток, суля не только революцию в фундаментальной науке, но и перспективы для технологий будущего, основанных на квантовых принципах.