Stan skupienia materii, który przeczy zdrowemu rozsądkowi
W szkole uczymy się o gazach, cieczach i ciałach stałych. Niektórzy wspominają jeszcze plazmę. Gdy jednak temperatura spada blisko zera absolutnego, materia zaczyna grać według zupełnie innych, kwantowych reguł. W 1995 roku zaobserwowano, że hel-4 po schłodzeniu do około 2 kelwinów staje się nadcieczą. To płyn o zerowej lepkości, który może krążyć bez końca, pokonując grawitację i przepływając nawet po ściankach naczynia. Stan nadstały jest jeszcze dziwniejszy. To hybryda, która łączy uporządkowaną strukturę krystaliczną ciała stałego z nadciekłymi właściwościami. Przez długi czas istniał głównie w teoriach i modelach matematycznych, ponieważ wydawał się zaprzeczać zdrowemu rozsądkowi. Jak coś może być jednocześnie sztywne i płynąć bez oporów?
Czytaj też: Fizycy odkryli lewitujące kryształy czasu. Możesz wziąć je w ręce i wykorzystać na wiele sposobów
Dotychczasowe próby wytworzenia stanu nadstałego polegały na precyzyjnym „usztywnianiu” nadcieczy za pomocą laserów. Zespół kierowany przez Jia Li zastosował inną metodę. Jego członkowie wykorzystali podwójną warstwę grafenu, czyli materiału grubości pojedynczego atomu. Gdy w jednej warstwie znajduje się nadmiar elektronów, a w drugiej ich brakuje (tworząc tzw. dziury), w obecności silnego pola magnetycznego mogą powstawać ekscytony. Są to połączone pary elektron-dziura, które zachowują się jak nowe kwazicząstki. Okazało się, że przy wysokiej gęstości ekscytony tworzą nadciecz. Gdy naukowcy zmniejszyli ich koncentrację, ruch zatrzymał się, a materiał stał się izolatorem. To przejście sugeruje, iż mogła wytworzyć się właśnie faza nadstała. Co ciekawe, po podniesieniu temperaturowym ekscytony znów zaczęły płynąć swobodnie.
Obserwowanie fazy izolującej, która topi się w nadciecz, jest bezprecedensowe. To silnie sugeruje, że faza niskotemperaturowa jest niezwykłym ciałem stałym ekscytonów – wyjaśnia Jia Li
Lżejsze cząstki, wyższe temperatury
Ekscytony mają zasadniczą przewagę nad atomami helu używanymi wcześniej, ponieważ są od nich tysiące razy lżejsze. W świecie fizyki kwantowej ma to kolosalne znaczenie. Lżejsze cząstki mogą tworzyć stany nadciekłe i nadstałe w relatywnie wyższych temperaturach. Dla badaczy pracujących nad nadprzewodnikami wysokotemperaturowymi to istotna wskazówka. Wyższa temperatura pracy oznacza bowiem mniej kosztowne i skomplikowane układy chłodzenia. Sami naukowcy podchodzą jednak do interpretacji ostrożnie. Cory Dean, współautor pracy, przyznaje, że ich możliwości badawcze są w tym obszarze jeszcze ograniczone.
Czytaj też: Atomowa rewolucja w materiałach przyszłości. Skok przewodności MXenów dzięki nowej metodzie
Jesteśmy zmuszeni do spekulacji, ponieważ nasza zdolność do badania izolatorów jest nieco ograniczona. Na razie badamy granice tego stanu izolującego, jednocześnie budując nowe narzędzia do jego bezpośredniego pomiaru
Nie można wykluczyć, że zaobserwowany stan to w rzeczywistości inna egzotyczna forma, na przykład nadciecz ekscytonowa. Ostateczne rozstrzygnięcie wymagać będzie dalszych, bardziej precyzyjnych eksperymentów. Niezależnie od nazwy, samo zaobserwowanie spontanicznego tworzenia się tak zaawansowanego stanu kwantowego w materiale takim jak grafen to niebywałe osiągnięcie.