Может ли твердое тело быть сверхтекучим? Создание нового сверхтвердого состояния из слоистых двумерных материалов

  • Пользователь Алексей Коровин опубликовал
  • 3 апреля 2023 г., 16:06:22 MSK
  • 0 комментариев
  • 34 просмотра
Физики предсказывают, что слоистые электронные двумерные полупроводники могут содержать любопытную квантовую фазу вещества, называемую сверхтвердостью. Этот нелогичный квантовый материал одновременно образует жесткий кристалл и в то же время позволяет частицам течь без трения, причем все частицы принадлежат к одному и тому же квантовому состоянию.

Совместная работа австралийских и европейских физиков предсказывает, что слоистые электронные двумерные полупроводники могут содержать любопытную квантовую фазу вещества, называемую сверхтвердостью.

Сверхтвердая фаза - это действительно очень нелогичная фаза. Он состоит из частиц, которые одновременно образуют жесткий кристалл и в то же время текут без трения, поскольку все частицы принадлежат к одному и тому же квантовому состоянию.

Твердое тело становится "супер", когда его квантовые свойства соответствуют хорошо известным квантовым свойствам сверхпроводников. Сверхтвердое вещество одновременно имеет два порядка: твердое и сверхплотное:

  • твердый из-за пространственно повторяющегося рисунка частиц,
  • супер потому что частицы могут течь без сопротивления.

"Хотя сверхтвердое вещество является жестким, оно может течь как жидкость без сопротивления", - объясняет ведущий автор доктор Сара Конти (Университет Антверпена).

Исследование проводилось в UNSW (Австралия), Университете Антверпена (Бельгия) и Университете Камерино (Италия).

50-летнее путешествие к экзотической сверхтвердости

Джеффри Честер, профессор Корнеллского университета, предсказал в 1970 году, что твердый гелий-4 под давлением при низких температурах должен проявлять:

  • Кристаллический порядок твердого тела, где каждый атом гелия находится в определенной точке регулярно упорядоченной решетки и в то же время,
  • Бозе-эйнштейновская конденсация атомов, при которой каждый атом находится в одном и том же квантовом состоянии, поэтому они текут без сопротивления.

Однако в последующие пять десятилетий сверхтвердость Честера не была однозначно обнаружена.

В альтернативных подходах к формированию сверхтвердоподобного состояния сообщалось о сверхтвердоподобных фазах в системах с холодными атомами в оптических решетках. Это либо скопления конденсата, либо конденсаты с различной плотностью, определяемой геометрией улавливания. Эти сверхтвердые фазы следует отличать от оригинальной сверхтвердости Честера, в которой каждая отдельная частица локализована на своем месте в кристаллической решетке исключительно за счет сил, действующих между частицами.

Новое австралийско-европейское исследование предсказывает, что вместо этого такое состояние можно было бы создать в двумерных (2D) электронных материалах в полупроводниковой структуре, изготовленной из двух проводящих слоев, разделенных изолирующим барьером толщиной d.

Один слой легирован отрицательно заряженными электронами, а другой - положительно заряженными дырками.

Частицы, образующие сверхтвердость, являются межслойными экситоны, связанные состояния электрона и дырки, связанные вместе их сильным электрическим притяжением. Изолирующий барьер предотвращает быструю самоаннигиляцию связанных пар экситонов. Напряжения, подаваемые на верхние и нижние металлические "затворы", регулируют среднее расстояние r0 между экситонами.

Исследовательская группа предсказывает, что экситоны в этой структуре будут образовывать сверхтвердость в широком диапазоне расстояний между слоями и средних расстояний между экситонами. Электрическое отталкивание между экситонами может удерживать их в неподвижной кристаллической решетке.

"Ключевым новшеством является то, что сверхтвердая фаза с квантовой когерентностью Бозе-Эйнштейна появляется при расстояниях между слоями, намного меньших, чем расстояние, предсказанное для твердого тела, не являющегося суперэкситоном, которое обусловлено тем же электрическим отталкиванием между экситонами", - говорит соавтор исследования профессор Дэвид Нильсон (Университет Антверпена).

"Таким образом, сверхтвердое вещество вытесняет твердое вещество, не являющееся суперэкситоном. При еще больших расстояниях твердое тело, не являющееся суперэкситоном, в конечном счете побеждает, и квантовая когерентность разрушается."

"Это чрезвычайно надежное состояние, легко достижимое в экспериментальных установках", - добавляет соавтор исследования профессор Алекс Гамильтон (UNSW). "По иронии судьбы, расстояния между слоями относительно велики и их легче изготовить, чем чрезвычайно малые расстояния между слоями в таких системах, которые были в центре внимания недавних экспериментов, направленных на максимизацию энергии межслойной связи экситонов".

Что касается обнаружения, то для сверхтекучей жидкости хорошо известно, что ее нельзя вращать до тех пор, пока в ней не появится квантовый вихрь, аналогичный водовороту. Но для формирования этого вихря требуется конечное количество энергии, а следовательно, и достаточно сильная вращательная сила. Таким образом, до этого момента измеренный вращательный момент инерции (степень, в которой объект сопротивляется ускорению вращения) будет оставаться нулевым. Точно так же сверхтвердое вещество можно идентифицировать, обнаружив такую аномалию в его вращательном моменте инерции.

Исследовательская группа представила полную фазовую диаграмму этой системы при низких температурах.

"Изменяя расстояние между слоями относительно среднего расстояния между экситонами, силу экситон-экситонных взаимодействий можно настроить таким образом, чтобы стабилизировать либо сверхтекучее, либо сверхтвердое, либо обычное твердое вещество", - говорит доктор Сара Конти.

"Существование тройной точки также особенно интригует. В этот момент границы плавления сверхтвердого вещества и нормального твердого тела, а также перехода сверхтвердого вещества в нормальное твердое тело пересекаются. Должна быть захватывающая физика, исходящая от экзотических интерфейсов, разделяющих эти области, например, туннелирование Джозефсона между сверхтвердыми лужами, встроенными в нормальный фон ".

Комментарии

0 комментариев