Графен раскрывает сверхтвердое состояние 04.02.2026

Квантовые состояния вещества, где обычные законы физики перестают действовать привычным образом, всегда привлекали внимание ученых. Сверхтекучие жидкости, которые текут без сопротивления, и сверхтвердые тела, сочетающие кристаллическую упорядоченность с нулевой вязкостью, остаются одними из самых загадочных явлений.

Долгое время сверхтвердость удавалось наблюдать лишь в искусственно созданных системах, таких как ультрахолодный гелий в ловушках. Однако недавнее открытие в двухслойном графене приблизило ученых к пониманию этого экзотического состояния в гораздо более естественных условиях.

Команда физиков под руководством Кори Дина из Колумбийского университета и Цзя Ли из Техасского университета в Остине изучала поведение экситонов - квазичастиц, возникающих из пары электрон-"дырка" в разных слоях графена. Исследователи обнаружили, что при определенных параметрах экситоны переходят из состояния супержидкости в изолятор, где движение практически останавливается. Самым поразительным стало обратное поведение: при повышении температуры система неожиданно возвращалась к супержидкостным свойствам, что полностью противоречит классическим фазовым переходам, где нагрев обычно разрушает упорядоченность.

Уникальность эксперимента заключается в том, что признаки сверхтвердости проявились спонтанно, без применения сложных лазерных ловушек, которые раньше использовались для попыток стабилизации такого состояния в гелии. В двухслойном графене избыточные электроны и "дырки" самостоятельно формировали упорядоченный узор, а изменение плотности частиц позволяло наблюдать переход между различными квантовыми фазами. По словам Кори Дина, впервые удалось увидеть, как супержидкость переходит в фазу, напоминающую сверхтвердое тело, где сохраняется кристаллическая структура и при этом присутствует квантовая когерентность.

Термин "сверхтвердое тело" подразумевает материал, который одновременно обладает жесткой кристаллической решеткой и способностью к бездиссипативному течению, характерному для супержидкости. Хотя прямое доказательство полной сверхтвердости в этой системе пока не получено - в частности, из-за трудностей измерений в изолирующей фазе - исследователи считают результаты чрезвычайно близкими к этому состоянию. Они отмечают, что низкотемпературная фаза выглядит как необычный экситонный кристалл, стабилизированный взаимодействиями частиц.

Работа проводилась при поддержке Министерства энергетики США, Национального научного фонда, Фонда Слоуна, Управления научных исследований ВВС США и Национальной лаборатории высоких магнитных полей. Важно подчеркнуть, что в двухслойном графене экситонная супержидкость и предполагаемая сверхтвердость возникают только в сильном магнитном поле. Ученые уже планируют эксперименты с другими двухслойными материалами, которые могут стабилизировать экситоны при более высоких температурах и, возможно, без внешнего магнитного поля, что сделает явление доступным для более широкого круга исследований.

Открытие демонстрирует, насколько мощным инструментом для изучения квантовых фаз стали двумерные материалы вроде графена. Экситоны в таких системах в тысячи раз легче атомов гелия, что теоретически позволяет наблюдать аналогичные явления при существенно более высоких температурах. Это открывает путь к контролю над экзотическими состояниями вещества в условиях, гораздо проще сверхнизкотемпературных криогенных установок.