Исследование сверхтекучих жидкостей привело к обнаружению удивительной квантово-механической фазы, которая может стать основой для создания сверхтвердых материалов.
При понижении температуры большинство веществ ведут себя в ожидаемом ключе: сначала газ переходит в жидкость, а затем в твердое тело. Квантовая материя часто игнорирует привычные физические закономерности. Уже более ста лет известно, что при крайне низких температурах гелий демонстрирует необычные свойства. Вместо того чтобы замерзать, он превращается в сверхтекучее состояние — уникальное явление, не обладающее вязкостью и способное протекать сквозь микроскопически узкие щели.
Вопрос о поведении сверхтекучих жидкостей при еще более низких температурах оставался долгое время открытым. Лишь недавно ученые из университетов Техаса и Колумбии сделали прорывное наблюдение. Им удалось зафиксировать новую фазовую трансформацию, которая считалась невозможной.
Группа экспертов установила, что охлажденная сверхтекучая жидкость может полностью прекратить движение, образуя квантово-механическую версию твердого тела. Согласно их наблюдениям, новая фаза обладает свойствами твердого материала, при этом сохраняя некоторые черты сверхтекучести. Это открытие создает возможность для исследования сверхтвердых материалов.
В отличие от классических твердых тел, где атомы формируют жесткий каркас, сверхтвердые материалы имеют уникальный внутренний порядок. Они объединяют характеристики как жидкостей, так и твердых тел. До недавнего времени прямые доказательства существования таких веществ отсутствовали. Единственным способом достижения похожего эффекта было использование искусственно созданных структур в лабораторных условиях, основанных на лазерных технологиях и сложных системах охлаждения.
Новый эксперимент впервые продемонстрировал формирование подобной структуры естественным образом. Ученые применили графен. Благодаря особой конфигурации его слоев удалось создать условия, при которых возникали квазичастицы — экситоны. Под воздействием сильного магнитного поля они объединялись в коллективное движение, проявляя удивительные свойства сверхтекучести. Анализируя полученные результаты, исследователи заметили, что изменение количества экситонов и температуры влечет за собой существенные изменения в структуре их движения. Именно это дало возможность зафиксировать ранее неизвестную фазу, где свободная сверхтекучесть сменялась полным прекращением потоков.
Таким образом, данное исследование открывает возможности для разработки новых технологий и материалов с уникальными свойствами. Если удастся воспроизводить аналогичные эффекты при комнатной температуре, это приведет к появлению принципиально новых устройств, которые способны существенно изменить существующие технологии хранения энергии, вычислительные системы и датчики.
Тем временем в России разработаны костные имплантаты с эффектом памяти. Подробнее о них рассказали в другом материале Hi-Tech Mail.
Фото: hi-tech.mail.ru
