Впервые в мире команда физиков из Колумбийского университета в Нью-Йорке и Техасского университета в Остине осуществила прямое превращение квантовой сверхтекучей жидкости в сверхтвёрдое тело, используя только экситоны. Это достижение аналогично замерзанию текущей воды в лёд, но происходит на квантовом уровне. Сверхтекучая жидкость, известная своим свойством течь без трения и образовывать вечные квантовые вихри, была остановлена и переведена в упорядоченное состояние.
Сверхтвёрдое тело представляет собой парадоксальное состояние материи, сочетающее кристаллическую решётку твёрдого тела с отсутствием вязкости сверхтекучей жидкости. Ранее подобные состояния создавались в лабораториях с помощью сложного внешнего оборудования и энергетических полей, заставляющих частицы формировать структуру. Однако в данном эксперименте переход между состояниями произошёл естественным путём, без какого-либо внешнего принуждения.
Для эксперимента учёные использовали две тончайшие пластины графена, поместили их в сильное магнитное поле и охладили до сверхнизких температур, чтобы создать «суп» из экситонов. Экситоны — это квазичастицы, возникающие при возбуждении электрона, которые могут переносить энергию. При охлаждении до температур всего на 1,5–4 градуса Цельсия выше абсолютного нуля экситоны сформировали сверхтекучую жидкость. Дальнейшее охлаждение привело к её спонтанному превращению в сверхтвёрдое тело.
Исследователи подчеркивают необычность открытия: как правило, сверхтекучесть является основным низкотемпературным состоянием. Наблюдение же фазы изолятора, которая «плавлением» переходит в сверхтекучую жидкость, беспрецедентно. Это указывает на то, что низкотемпературная фаза является крайне необычным экситонным твёрдым телом. В настоящее время команда изучает границы этого изолирующего состояния и разрабатывает новые методы его измерения, поскольку материал не проводит электрический ток. Также ведутся поиски других материалов, которые могли бы демонстрировать подобные свойства без необходимости создания сильного магнитного поля. Работа с экситонами перспективна, поскольку они значительно легче атомов гелия и могут формировать квантовые состояния при относительно более высоких температурах. Исследование, цель которого — глубже понять фундаментальную природу материи, было в журнале Nature.