Forskare har bevittnat en superfluid i grafen som stannar sin rörelse och övergår till en supersolid – en kvantfas som blandar fast-liknande ordning med friktionsfri strömning. Detta genombrott, uppnått i bilager grafen under specifika förhållanden, utmanar länge hållna antaganden om kvantmateria. Resultaten, publicerade i Nature, markerar den första naturliga observationen av en sådan fas utan artificiella begränsningar.
Kvantmateria trotsar ofta klassiska förväntningar. För över ett sekel sedan upptäckte forskare att helium vid ultralåga temperaturer blir en superfluid som flyter utan motstånd och uppvisar udda egenskaper som att klättra upp för behållarväggar. I årtionden undrade forskare vad som händer om en sådan vätska kyls ytterligare, potentiellt bildande en supersolid: ett tillstånd med kristallstruktur men vätskeliknande egenskaper. Ett team ledd av Cory Dean vid Columbia University och Jia Li vid University of Texas at Austin tog sig an detta i experiment med bilager grafen. Genom att stapla två atomtunna kolskikt och ställa in ett med extra elektroner och det andra med hål skapade de excitoner – kvasipartiklar som under starka magnetfält agerar kollektivt som en superfluid. När de justerade excitontäthet och temperatur inträffade en oväntad förskjutning. Vid höga tätheter flöt excitonerna fritt. Sänka tätheten stoppade flödet och förvandlade systemet till en isolator – ett fast-liknande tillstånd. Att öka temperaturen återupplivade sedan superfluidbeteendet och vände på typiska fasövergångar. «För första gången har vi sett en superfluid genomgå en fasövergång till vad som verkar vara en supersolid», sa Dean. Li tillade: «Superfluiditet betraktas generellt som marknadstillstånd vid låg temperatur. Att observera en isolerande fas som smälter till superfluid är obepräglat. Detta tyder starkt på att låg-temperaturfasen är en mycket ovanlig excitonfast.» Teamet, inklusive Yihang Zeng (nu vid Purdue University), använde transportmätningar för att detektera dessa förändringar. Dean noterade begränsningar: «Vi får spekulera lite, då vår förmåga att undersöka isolatorer slutar lite.» Framtida arbete utforskar andra 2D-material där lättare excitoner kan möjliggöra supersolider vid högre temperaturer, utan magnetfält. Detta fynd belyser grafens roll i att sondera kvantfaser och potentiellt främja förståelsen av exotiska materiatillstånd.