Российские ученые впервые экспериментально получили промежуточное состояние вещества между кристаллом и жидкостью

Ученые Объединенного института высоких температур (ОИВТ РАН) и МФТИ экспериментально подтвердили наличие промежуточной фазы между кристаллическим и жидким состоянием в плоской плазменно-пылевой системе. Теоретическое предсказание промежуточной ― гексатической ― фазы заслужило Нобелевскую премию по физике в 2016 году: премия была присуждена  Майклу Костерлицу, Дэвиду Таулессу и Дункану Холдейну с формулировкой «за теоретические открытия топологических фазовых переходов и топологических фаз материи».

В научной статье в журнале Scientific Reports ученые опубликовали свои наблюдения и детальное описание экспериментов, в ходе которых они впервые наблюдали гексатическую фазу в двумерных структурах в плазме. В работе описаны способы точной идентификации точек фазового перехода и представлен детальный анализ структурных свойств такой системы. Полученные в ходе эксперимента данные полностью соответствуют теории Березинского — Костерлица — Таулесса.

«Проведенный эксперимент позволяет однозначно заявить о двухступенчатом процессе плавления кристалла и идентифицировать точки фазового перехода “твердое тело — гексатическая фаза” и “гексатическая фаза — жидкость”, ― рассказывает Елена Васильева, старший научный сотрудник лаборатории диагностики пылевой плазмы ОИВТ РАН, аспирантка МФТИ. ― Продолжительное время проведения эксперимента, достаточное для установления стационарного состояния системы, в сочетании с точными методами управления температурой частиц позволило плавно изменять параметры системы и пронаблюдать гексатическую фазу».  

По словам Елены Васильевой, несмотря на то, что теории Березинского — Костерлица — Таулесса, которая предсказывает двухступенчатое плавление от кристалла к жидкой фазе с образованием промежуточной гексатической фазы, уже более 40 лет, до сих пор не получалось изучить эти процессы в лабораторных плазменных системах. Двумерные переходы уже наблюдались в полимерных коллоидах, магнитных пузырьках в тонких пленках, жидких кристаллах и суперпроводниках, однако экспериментальных подтверждений двухстадийного плавления в пылевой плазме долгое время не было. 

«Эксперимент по наблюдению “трудноуловимой” гексатической фазы удался благодаря ряду факторов. Так, мы использовали нестандартный подход для формирования монослойной пылевой системы: применялись частицы с металлической поверхностью, которые способны поглощать лазерное излучение и преобразовывать его в энергию собственного движения. Система частиц подвергалась долгой релаксации перед записью экспериментальной серии. Кроме того, был использован однородный лазерный пучок для равномерного воздействия на структуру и ее прецизионного разогрева», ― комментирует Олег Петров, директор ОИВТ РАН, заведующий лабораторией физики активных сред и систем МФТИ.

Исследование физических свойств двумерных систем имеет огромное прикладное значение. Такие исследования сейчас бурно развиваются, обещая в перспективе новые материалы с заданными свойствами и устройства на их основе в сфере микроэлектроники, медицины для секвенирования ДНК и т. д. 

Представленные в статье результаты были получены при поддержке Российского научного фонда в рамках проекта «Активное броуновское движение кулоновских макрочастиц в плазме и сверхтекучем гелии».