Tym razem badacze z Columbia University i University of Texas w Austin zaobserwowali coś, co wygląda na spontaniczne przejście nadcieczy w supersolid. Do eksperymentu wykorzystali dwuwarstwę grafenu oraz kwazicząstki zwane ekscytonami. To dopiero pierwszy krok, ale jeśli obserwacje się potwierdzą, mogą one otworzyć zupełnie nowy rozdział w badaniach nad kwantowymi stanami materii.
Grafen i ekscytony w roli głównej. Klucz do niezwykłego eksperymentu
Cała sztuka polegała na wykorzystaniu szczególnych właściwości grafenu i tworzących się w nim ekscytonów. Ekscyton to para złożona z elektronu i dziury, czyli miejsca po brakującym elektronie, które przyciągają się elektrycznie i mogą zachowywać się jak jedna, neutralna kwazicząstka. W tym układzie elektronów przybywało w jednej warstwie grafenu, a dziur – w drugiej. Taki rozdział jest kluczowy, bo pozwala ekscytonom żyć dłużej i tworzyć zbiorowe stany, zanim zdążą się zniwelować.
W odpowiednio silnym polu magnetycznym ekscytony mogą wejść w reżim, w którym zaczynają zachowywać się jak wspólna, zsynchronizowana całość – a to właśnie w takich warunkach pojawia się nadciekłość. Dla porównania: klasyczną nadciecz odkryto w 1938 roku, gdy hel-4 schłodzono do okolic 2 kelwinów. Tutaj materiałem roboczym nie są jednak atomy helu, tylko ekscytony w strukturze półprzewodnikowej, a grafen daje badaczom coś, czego hel nie potrafi: możliwość precyzyjnego strojenia gęstości nośników, warunków brzegowych i równowagi między warstwami niemal jak gałkami w kokpicie.
Ku zaskoczeniu zespołu, przy wysokiej gęstości ekscytony zachowywały się jak nadciecz, ale gdy tylko tę gęstość zmniejszono, układ nagle zastygał, przechodząc w stan izolatora. To ważny szczegół: izolator w takim kontekście nie musi oznaczać martwego układu, tylko stan, w którym cząstki przestają się swobodnie przemieszczać – jakby zorganizowały się w uporządkowaną strukturę, która blokuje transport.
Odwrócona kolejność przejść fazowych. Zaskakujące zachowanie materii
Najbardziej intrygujący okazał się jednak porządek tych zmian. Zazwyczaj to obniżanie temperatury porządkuje układ i sprzyja stanom nadciekłym. W tym eksperymencie pojawił się efekt zaskakujący nawet dla doświadczonych fizyków materii skondensowanej: faza izolująca topiła się i odzyskiwała charakter nadciekły dopiero po podniesieniu temperatury. Brzmi to jak paradoks, ale w świecie kwantowym takie odwrócenia logiki nie są magią – często oznaczają po prostu, że konkurują ze sobą dwa porządki, a temperatura działa jak przełącznik, który osłabia jeden mechanizm, a wzmacnia drugi.
W ujęciu roboczym wygląda to tak: przy małej gęstości ekscytonów oddziaływania dipolowe mogą sprzyjać tworzeniu uporządkowanego ciała stałego ekscytonów, czyli stanu, w którym cząstki ustawiają się regularnie. Gdy temperaturę podniesiemy, taki porządek może się rozmywać – a wtedy układ potrafi wrócić do fazy, w której znów pojawia się spójność kwantowa i transport bez strat. Właśnie dlatego badaczą rozważają, że ten niski-temperaturowy izolator może być czymś więcej niż zwykłą blokadą transportu: może być kandydatem na fazę stałą o kwantowej koherencji, czyli potencjalnie krok od supersolidu.
Zespół ostrożnie opisuje sytuację: wprost mówi o przejściu nadciecz–izolator, a supersolid pojawia się tu jako najbardziej ekscytująca interpretacja, co to może być, jeśli stan stały okaże się jednocześnie kwantowo spójny. To uczciwość metodologiczna: supersolidu nie wystarczy podejrzewać – trzeba jeszcze umieć go jednoznacznie rozpoznać po charakterystycznych sygnaturach, a to w tych układach nadal jest trudne. Dlatego kolejnym krokiem ma być rozwój pomiarów, które zajrzą w naturę fazy izolującej bardziej bezpośrednio niż dotychczasowe metody transportowe.
Lżejsze od helu, skuteczniejsze w działaniu. Potencjał nowego odkrycia
Choć od praktycznych zastosowań dzieli nas jeszcze długa droga, potencjał tej linii badań jest ogromny. Ekscytony są tysiące razy lżejsze niż atomy helu, więc ich kwantowość zbiorowa może ujawniać się w warunkach bardziej osiągalnych technologicznie – nie w sensie pokojowej temperatury jutro, ale jako realna szansa na przesuwanie granic w stronę mniej ekstremalnych reżimów niż te, do których przyzwyczaiły nas klasyczne demonstracje nadciekłości.
Jeśli uda się potwierdzić, że w dwuwarstwowym graficie rzeczywiście pojawia się uporządkowana faza ekscytonów, która zachowuje elementy spójności kwantowej, będzie to ważne z co najmniej trzech powodów. Po pierwsze: dostajemy platformę, w której supersolid nie jest wymuszony zewnętrzną siatką, tylko wynika z samych oddziaływań – a to był jeden z największych brakujących elementów w tej historii. Po drugie: grafen i pokrewne heterostruktury 2D to świat, który świetnie skaluje się do urządzeń i chipów – nawet jeśli droga jest długa, to przynajmniej prowadzi przez obszar kompatybilny z nowoczesną inżynierią materiałową. Po trzecze: takie fazy to poligon doświadczalny dla najtrudniejszych pytań o materię kwantową – o to, jak rodzi się porządek, jak znika, i jak konfliktują ze sobą różne rodzaje uporządkowania.