Oamenii de știință tocmai au observat o fază bizară a materiei transformându-se într-una și mai stranie. Pentru prima dată, au văzut un superfluid devenind un supersolid — o tranziție despre care nici măcar nu știau că este posibilă, potrivit Live Science.
Într-un studiu publicat pe 28 ianuarie în revista Nature, cercetătorii au observat un grup de excitoni - cvasi-particule care combină un electron și o gaură de electron - transformându-se dintr-un superfluid într-un supersolid și apoi revenind la starea inițială.
Este pentru prima dată când excitonii au fost observați condensându-se într-un supersolid, trecând printr-o tranziție de fază reversibilă, asemănătoare modului în care apa se poate transforma din lichid în gheață și înapoi.
Faze secrete ale materiei
Există mult mai multe faze ale materiei decât cele trei obișnuite pe care le întâlnim zilnic (gaz, lichid și solid), deși majoritatea acestor stări apar doar în condiții extreme. Superfluidele sunt un astfel de exemplu și apar doar atunci când anumite particule, precum izotopii de heliu și excitonii, sunt răcite până foarte aproape de zero absolut — absența completă a căldurii.
Ele nu sunt chiar lichide obișnuite — curg fără rezistență cauzată de frecare — iar atunci când sunt puse în mișcare, formează mici tornade eterne numite vortexuri cuantice.
Supersolidele, pe de altă parte, sunt o stare a materiei teoretizată să existe atunci când superfluidele sunt răcite și mai mult. Ele păstrează vâscozitatea zero a superfluidelor, dar în loc ca particulele să se miște într-o masă asemănătoare unui lichid, acestea se organizează într-o structură ordonată, precum o rețea cristalină, menținând în același timp capacitatea de a curge și de a forma vortexuri cuantice.
Supersolidele au mai fost create în laboratoare, inclusiv în 2021, când cercetătorii au realizat un supersolid bidimensional din disprosiu, și în 2024, când au observat vortexuri cuantice într-un supersolid. Însă aceste realizări au necesitat echipamente suplimentare și energie pentru a forța particulele să se organizeze într-o rețea ordonată. Noul studiu, în schimb, demonstrează o tranziție de fază naturală.
„Pentru prima dată, am văzut un superfluid trecând printr-o tranziție de fază și devenind ceea ce pare a fi un supersolid”, a declarat Cory Dean, fizician la Universitatea Columbia și coautor al studiului, într-un comunicat.
„Observarea unei faze izolatoare care se topește într-un superfluid este fără precedent”
Pentru a realiza acest lucru, cercetătorii au plasat două straturi de grafen — asemănătoare unor foi extrem de subțiri, formate exclusiv din atomi de carbon — foarte aproape unul de celălalt. Apoi au aplicat un câmp magnetic puternic și au răcit sistemul pentru a forma o „supă” de excitoni.
Când au fost răciți la temperaturi cuprinse între 1,5 și 4 grade Celsius peste zero absolut (2,7–7,2 grade Fahrenheit), excitonii au format un superfluid. La temperaturi și mai scăzute, excitonii s-au transformat într-o nouă fază misterioasă, izolatoare din punct de vedere electric, pe care echipa o suspectează a fi starea teoretizată de supersolid.
„Superfluiditatea este, în general, considerată starea fundamentală la temperaturi joase”, a spus Jia Li, fizician la Universitatea din Texas, Austin, și coautor al studiului. „Observarea unei faze izolatoare care se topește într-un superfluid este fără precedent. Acest lucru sugerează cu tărie că faza de joasă temperatură este un solid de excitoni extrem de neobișnuit.”
Echipa analizează și alte materiale pentru a le testa, precum și noi metode de măsurare și studiere a stării de supersolid al excitonilor.
„Deocamdată, explorăm limitele din jurul acestei stări izolatoare, în timp ce construim noi instrumente pentru a o măsura direct”, a spus Dean.
Studiile viitoare îi vor ajuta pe oamenii de știință să înțeleagă mai bine comportamentul supersolidelor și al superfluidelor, să aprofundeze înțelegerea fizicii particulelor și să deschidă calea către aplicații ale supersolidelor la temperaturi mai ridicate.
Ştiri video recomandate
