شهد الباحثون سائلًا فائق التدفق في الغرافين يتوقف عن الحركة، متحولًا إلى حالة فائقة الصلبية: طور كمي يجمع بين النظام الصلبي وتدفق خالٍ من الاحتكاك. هذا الإنجاز، الذي تحقق في غرافين ثنائي الطبقة تحت ظروف محددة، يتحدى الافتراضات الراسخة حول المادة الكمومية. النتائج، المنشورة في مجلة Nature، تمثل أول رصد طبيعي لهذا الطور دون قيود اصطناعية.
غالبًا ما تتحدى المادة الكمومية التوقعات الكلاسيكية. قبل أكثر من قرن، اكتشف العلماء أن الهيليوم عند درجات حرارة منخفضة جدًا يصبح سائلًا فائق التدفق، يتدفق دون مقاومة ويظهر خصائص غريبة مثل تسلق جدران الحاويات. لعقود، تساءل الباحثون عما يحدث إذا برد هذا السائل أكثر، مما قد يشكل حالة فائقة الصلبية: حالة ذات هيكل بلوري ولكن خصائص سائلة. قام فريق بقيادة كوري دين من جامعة كولومبيا وجيا لي من جامعة تكساس في أوستن بهذا في تجارب مع الغرافين ثنائي الطبقة. بتكديس طبقتين من ألواح الكربون رقيقة كالذرة وضبط إحداهما بإلكترونات إضافية والأخرى بثقوب، أنشأوا إكسيتونات: جسيمات شبهية تعمل جماعيًا كسائل فائق التدفق تحت حقول مغناطيسية قوية. مع تعديل كثافة الإكسيتونات ودرجة الحرارة، حدث تحول غير متوقع. عند الكثافات العالية، تدفقت الإكسيتونات بحرية. خفض الكثافة أوقف التدفق، محولًا النظام إلى معزول: حالة صلبة. زيادة درجة الحرارة بعد ذلك أعادت سلوك السائل الفائق، مقلوبًا الانتقالات الفازية النموذجية. «لأول مرة، رأينا سائلًا فائق التدفق يخضع لانتقال فازي ليصبح ما يبدو حالة فائقة الصلبية»، قال دين. أضافت لي: «يُعتبر عادةً السائل الفائق التدفق الحالة الأرضية عند درجات الحرارة المنخفضة. رصد فاز معزول يذوب إلى سائل فائق التدفق غير مسبوق. هذا يشير بقوة إلى أن الفاز عند درجة الحرارة المنخفضة هو صلب إكسيتوني غير عادي للغاية». استخدم الفريق، بما في ذلك ييهانغ زينغ (الآن في جامعة بوردو)، قياسات النقل لاكتشاف هذه التغييرات. لاحظ دين قيودًا: «نبقى نتكهن قليلاً، إذ تتوقف قدرتنا على استجواب المعزلات قليلاً». أعمال مستقبلية تستكشف مواد ثنائية الأبعاد أخرى، حيث قد تمكن إكسيتونات أخف من حالات فائقة الصلبية عند درجات حرارة أعلى، دون حقول مغناطيسية. يكشف هذا الاكتشاف دور الغرافين في استكشاف الفضاء الكمومية، مما قد يتقدم فهم حالات المادة الغريبة.