Eksperimentas su grafeno dvigubais sluoksniais atskleidžia, kaip kvantinis superfluidas gali transformuotis į tvarkingą kietą būseną, atgaivindamas eksperimentinius supersolidų paieškos bandymus.
Paprastai medžiaga elgiasi nuspėjamai, kai keičiasi temperatūra: dujos virsta skysčiu, skysčiai kietėja, o kietosios medžiagos sustiprina savo struktūrą. Tačiau kvantinėje srityje ši logika gali būti sulaužyta. Ekstremaliai šaltose ir kontroliuojamose sistemose kai kurios medžiagos formos įgyja savybių, kurios neatitinka įprastų kategorijų. Tarp jų yra superfluidas, galintis tekėti be klampumo ir be energijos išsklaidymo – elgesys, kuris jau dešimtmečius žavi fizikus.
Naujausi eksperimentiniai darbai pridėjo naują skyrių į šią istoriją. eksitonų grafeno dvigubo sluoksnio sistemoje mokslininkai pirmą kartą pastebėjo tiesioginį perėjimą iš superfluido į izoliuojančią būseną, suderinamą su kvantine supersolida, ilgai ieškota faze, kuri derina kietąją tvarką su kvantine koherencija.
Rezultatas ne tik patvirtina seniai žinomas teorines prognozes, bet ir suteikia aiškią eksperimentinę aplinką, kurioje galima tirti, kaip tvarka ir superfluidiškumas sąveikauja toje pačioje fizikinėje sistemoje.
Kas yra superfluidas ir kodėl jis toks ypatingas?
Superfluidas yra materijos būsena, susijusi su Bose-Einsteino kondensacija, kurioje daug dalelių elgiasi taip, tarsi būtų vienas kvantinis objektas. Šiame režime skystis gali judėti be trinties, praeiti per mažus kanalus arba išlaikyti nuolatines sroves be energijos nuostolių. Šios savybės atsiranda ne dėl klasikinės sąveikos, bet dėl sistemos kolektyvinės kvantinės koherencijos.
Geriausiai žinomas superfluidas yra helis, kurio temperatūra artima absoliučiam nulio, bet tai nėra vienintelis. Dirbtinėse sistemose, pavyzdžiui, ultrašaltuose atominiuose dujose arba inžinerinėse elektroninėse struktūrose, taip pat gali atsirasti superfluido būsenos. Visais atvejais bendras bruožas yra tai, kad atitinkamos dalelės paklūsta bozoniškai statistikai arba elgiasi taip, tarsi jai paklustų. Supratimas, kaip atsiranda šios būsenos ir kaip jos gali išnykti, yra raktas į egzotiškesnių kvantinės materijos fazių supratimą.
Jau daugelį metų lieka atviras klausimas: kas atsitiks, jei superfluidas bus dar labiau atšaldytas arba labiau praskiestas? Klasikinė intuicija sako, kad jis turėtų „užšalti“ į kietą būseną, tačiau tas perėjimas nėra trivialus, kai superfluidiškumas yra susijęs su kvantine koherencija. Iš tos įtampos kyla supersolidumo sąvoka.
Supersolidumo sąvoka: tvarka ir sklandumas tuo pačiu metu
Supersolidumas yra materijos fazė, kuri teoriškai jungia dvi, atrodytų, nesuderinamas savybes. Viena vertus, ji pasižymi kristaline tvarka, t. y. reguliariu komponentų išdėstymu erdvėje, būdingu kietosioms medžiagoms. Kita vertus, ji išlaiko superfluidiškumą, kuris reiškia judėjimą be trinties ir didelio masto kvantinę koherenciją.
Ši idėja buvo pasiūlyta prieš kelis dešimtmečius, kalbant apie kietą helį, tačiau eksperimentai niekada nepasiekė vienareikšmiško įrodymo. Pastaraisiais metais supersolidinės būsenos buvo sukurtos ultrašaltuose atominiuose dujose, nors tais atvejais erdvinė tvarka paprastai yra nustatoma išorinių potencialų, pvz., lazerių generuojamų optinių grotelių. Tai paliko atvirą svarbų klausimą: Ar supersolidas gali atsirasti visiškai spontaniškai, veikiamas tik dalelių sąveikos?
Naujasis eksperimentas tiesiogiai atsako į šį klausimą. Tyrimo sistemoje nenaudojamas dirbtinis tinklas, kuris priverstų susidaryti tvarką, bet leidžiama vidinėms sąveikoms nulemti galutinę būseną. Šis skirtumas yra esminis vertinant, ar stebima būsena gali būti laikoma tikra kvantine supersolidine medžiaga.
Eksitonai grafeno dvigubose sluoksnėse: valdomas kvantinis laboratorija
Eksperimentinis scenarijus pagrįstas grafeno dvigubais sluoksniais, dviem vieno atomo storio anglies lakštais, atskirtais labai plonu izoliatoriumi. Kai viename sluoksnyje yra perteklius elektronų, o kitame – perteklius skylių, gali susidaryti tarpusluoksniai eksitonai, priešingos krūvio poros, kurios elgiasi kaip neutralios bozoninės dalelės.
Esant stipriam magnetiniam laukui ir labai žemai temperatūrai, šie eksitonai gali kondensuotis į superfluidinę būseną. Didžiausias šio sistemos privalumas yra aukštas eksperimentinio kontrolės lygis: mokslininkai gali reguliuoti eksitonų tankį, efektyvų sluoksnių tarpusavio atstumą ir jų disbalanso laipsnį naudodami elektros ir magnetinius laukus.
Straipsnyje aiškiai aprašomas šis kontekstas, nurodant, kad „dvigubo sluoksnio eksitonai suteikia unikalią galimybę tirti koreliuotas bozonines būsenas kietojo kūno sistemoje”, pabrėžiant, kad tai yra ypač universali platforma egzotiškų kvantinių fazių tyrimams. Ši universalumas yra raktas į režimus, kuriuose superfluidiškumas nebėra stabilus.
Kaip sukeliamas perėjimas iš superfluidiškos būsenos į izoliuojančią būseną
Eksperimente perėjimas nesukeliamas išorinės struktūros pagalba. Vietoj to, modifikuojamas esminis vidinis parametras: vidutinis eksitonų atskyrimas. Sukuriant disbalansą tarp dviejų grafeno sluoksnių, efektyvus eksitonų tankis sumažėja, o atstumas tarp jų padidėja.
Rezultatai rodo, kad kai šis atstumas viršija maždaug efektyvų eksitono dydį, sistema nustoja elgtis kaip superfluidas. Straipsnyje tai tiesiogiai apibendrinama teigiant, kad „mes stebime perėjimą iš superfluido į izoliatorių, kai atstumas tarp eksitonų viršija efektyvų eksitono spindulį“. Šiame režime dominuoja dipolinės sąveikos tarp eksitonų ir skatina tvarkingą išdėstymą, suderinamą su kietu kūnu.
Šis pokytis nėra laipsniškas. Eksperimentiniai duomenys rodo pirmojo laipsnio perėjimą, su histerezės reiškiniu keičiant temperatūrą ar tankį, kuris yra tipinis staigių pokyčių tarp fazių su skirtinga vidine tvarka požymis. Šis elgesys sustiprina interpretaciją, kad izoliuojanti būsena nėra tiesiog netvarkinga skystis, bet fazė su savo struktūra.
Netikėtas terminis elgesys: kietasis kūnas, kuris tirpsta į superfluidinį
Vienas iš labiausiai stebinančių rezultatų yra sistemos reakcija į temperatūrą. Daugumoje medžiagų temperatūros padidėjimas sunaikina tvarką. Čia vyksta kažkas subtilesnio. Esant labai žemai temperatūrai, sistema pereina į izoliacinę būseną. Temperatūrai kylant, superfluidiškumas vėl atsiranda, kol sistema tampa visiškai normali.
Straipsnyje šis punktas pabrėžiamas, nurodant, kad „izoliatorius tirpsta į superfluidinę medžiagą, kuri atkuria savo savybes, kai temperatūra pakyla“, o tai yra neįprastas reiškinys kvantinėse sistemose. Šis elgesys rodo, kad izoliuojanti būsena išlaiko tam tikrą pagrindinę kvantinę koherenciją, atitinkančią kvantinės kietosios medžiagos, o ne tradicinio izoliatoriaus, kuriame vyrauja netvarka, idėją.
Superfluidiškumo sugrįžimas su temperatūra yra vienas iš stipriausių įrodymų, patvirtinančių supersolidų interpretaciją. Klasikinėje kietojoje medžiagoje kaitinimas sugriauna tvarką, neatkurdamas kolektyvinių kvantinių savybių. Tačiau čia superfluidiškumas vėl atsiranda, nurodydamas į subtilų pusiausvyrą tarp erdvės tvarkos ir kvantinių sąveikų.
Kodėl šis rezultatas svarbus ne tik grafenui
Eksperimentinis šio perėjimo stebėjimas turi reikšmę, kuri pranoksta konkrečią sistemą. Pirma, jis suteikia tiesioginių įrodymų, kad eksitonų sąveikos gali stabilizuoti kvantinę kietąją fazę be išorinio potencialo. Antra, jis natūraliai siejasi su teorijomis, kurios jau dešimtmečius prognozuoja dipolinių sąveikų varomas supersolidines medžiagas.
Be to, šis darbas aiškiai parodo paraleles su kitais žinomais kvantiniais reiškiniais, pavyzdžiui, Wigner kristalais kvantiniame Holo efekto reiškinyje, kur tvarka atsiranda, kai dalelės tampa pakankamai praskiestos. Tokios analogijos padeda suvienodinti skirtingas kondensuotosios medžiagos fizikos sritis pagal bendrus principus.
Galiausiai, dvimatės medžiagos naudojimas atveria duris šių būsenų tyrimams palyginti aukštesnėje temperatūroje nei atominėse sistemose, o tai galėtų palengvinti ateities eksperimentinius pritaikymus. Nors dar negalime kalbėti apie prietaisus, parodytas tokių subtilių fazių kontrolė yra svarbus žingsnis ta linkme.
Kas dar turi būti įrodyta
Nepaisant rezultatų patikimumo, patys autoriai yra atsargūs. Stebima izoliacinė būsena atitinka kietą eksitonų būseną, tačiau tiesioginis kristalinės tvarkos ir superfluidiškumo sambūvio įrodymas lieka eksperimentinis iššūkis. Šiam darbui svarbios elektrinio transportavimo technikos neleidžia tiesiogiai matuoti superfluidiškumo srauto izoliacinėje fazėje.
Straipsnyje tai aiškiai pripažįstama teigiant, kad „mūsų rezultatai atitinka eksitonų kietąją medžiagą“, bet norint vienareikšmiškai identifikuoti supersolidą reikės naujų eksperimentinių priemonių. Šis įspėjimas nemenkina šio atradimo reikšmės, bet pabrėžia hibridinių kvantinių fazių identifikavimo sudėtingumą.
Svarbu tai, kad pirmą kartą yra kietojo kūno sistema, kurioje pagrindinį perėjimą galima tirti atkartojamu ir kontroliuojamu būdu. Tai daro dvigubo sluoksnio grafeną ateities tyrimų apie supersolidus ir kitas egzotiškas fazes etalonu.
