Zespół z Columbia University i University of Texas w Austin dokonał czegoś, co do niedawna uznawano za niezwykle trudne do realizacji w laboratorium. Udało im się przekształcić nadciekłe ekscytony w stan nadstały, a następnie odwrócić ten proces. Kluczowe w tym eksperymencie było to, że przemiana nastąpiła samoczynnie, bez stosowania dodatkowych pól czy skomplikowanych zabiegów z zewnątrz. Taka spontaniczna zmiana fazy otwiera nowy rozdział w badaniach nad materią skondensowaną.
Eksperyment w ekstremalnych warunkach. Grafen, magnesy i temperatura bliska zera absolutnego
Aby uzyskać i zbadać ten niezwykły stan, naukowcy musieli stworzyć środowisko przypominające warunki kosmicznej pustki. Podstawą ich układu były dwie ultracienkie warstwy grafenu, czyli atomowej grubości materiału z węgla o strukturze plastra miodu. Ten zestaw umieszczono w potężnym polu magnetycznym o natężeniu 29 tesli i schłodzono do temperatury zaledwie 1,5 do 4 stopni Celsjusza powyżej zera absolutnego, co odpowiada około minus 270 stopni Celsjusza. W takich warunkach w materiale formują się eksytony – swoiste pary złożone z elektronu i pozostawionej przez niego „dziury”. Te quasi-cząstki, będące nośnikami energii, są niezwykle lekkie, co pozwala im tworzyć zjawiska kwantowe przy temperaturach wyższych niż te potrzebne dla tradycyjnie badanych atomów helu.
Czytaj także: Odkryto nowy stan materii. Rewolucja w fizyce kwantowej
Paradoks w laboratorium. Kiedy nadciecz nagle przestaje płynąć
Nadciekłość to stan, w którym substancja traci całkowicie lepkość. Teoretycznie, raz wprawiona w ruch, powinna krążyć wiecznie, co obserwuje się np. w postaci stabilnych wirów kwantowych. Jest to możliwe dzięki kondensacji Bosego-Einsteina, gdzie wiele cząstek zachowuje się jak jedna fala kwantowa. W tym eksperymencie naukowcy zaobserwowali coś zupełnie nieoczekiwanego – po dalszym schłodzeniu nadciekły przepływ eksytonów po prostu się zatrzymał. Cząstki ułożyły się w uporządkowany wzór, podobny do kryształu, nie tracąc przy tym wszystkich kwantowych właściwości nadcieczy. Ten właśnie hybrydowy stan nazywa się nadstałym lub supersolid.
Stan nadstały odkryty. To jak kryształ, który potrafi płynąć
Supersolid łączy w sobie cechy uważane za wzajemnie wykluczające. Z jednej strony tworzy regularną, sztywną strukturę krystaliczną, a z drugiej zachowuje zdolność do beztarciowego przepływu i tworzenia wirów kwantowych. Choć istnienie takiej fazy przewidywała teoria, dotychczasowe próby jej wytworzenia wymagały zewnętrznego „wymuszenia”. W tym przypadku stan nadstały powstał spontanicznie jako tzw. faza izolująca, stabilizowana przez oddziaływania dipolowe między eksytonami. Co ciekawe, kiedy temperatura nieznacznie wzrosła, izolator „stopił się” z powrotem w nadciecz. To pokazuje, że uporządkowana, niskotemperaturowa faza zachowała kwantową koherencję, czyli spójność, która jest marzeniem twórców przyszłych technologii kwantowych.
Elektryczna dwoistość. Jak ten sam materiał ma dwie różne twarze
Pomiary właściwości elektrycznych ujawniły fascynującą różnicę między fazami. Gdy eksytony były w stanie nadciekłym, materiał wykazywał wysoką przewodność w jednym typie pomiaru, ale zachowywał się jak izolator w innym. Po przejściu w stan nadstały, przewodność w obu konfiguracjach spadała do zera – materiał stawał się idealnym izolatorem, pomimo zachowania wewnętrznej, spójnej struktury kwantowej. Ta dwoistość zachowania elektrycznego przy niezmienionej kwantowej naturze jest niezwykle intrygująca. Pokazuje też praktyczną zaletę pracy z eksytonami: jako lżejsze obiekty pozwalają one badać egzotyczne stany materii w nieco bardziej przystępnych, choć wciąż ekstremalnie niskich, temperaturach.
Perspektywy na przyszłość. Co dalej z badaniami nad stanami nadstałymi
Odkrycie opublikowane w „Nature” to raczej początek drogi niż jej koniec. Badacze skupiają się teraz na precyzyjnym zbadaniu granic stanu izolującego i rozwijają nowe techniki pomiarowe, które pozwolą zajrzeć głębiej w jego właściwości. Kolejnym ważnym celem jest poszukiwanie innych materiałów, które mogłyby wykazywać podobne nadstałe zachowania bez konieczności stosowania tak silnych pól magnetycznych. To kluczowy krok na drodze do jakichkolwiek potencjalnych zastosowań.
Zrozumienie tych egzotycznych stanów skupienia może w odległej przyszłości przyczynić się do postępu w dziedzinie komputerów kwantowych lub niezwykle czułych sensorów. Trzeba jednak przyznać, że od laboratoryjnego eksperymentu w temperaturze bliskiej zeru absolutnego do praktycznej technologii droga jest bardzo długa. Na razie możemy podziwiać elegancję tego eksperymentu, który materializuje jeden z wielkich paradoksów fizyki i przypomina, że natura wciąż potrafi nas zaskoczyć.