Экспериментально доказана теория Березинского — Костерлица — Таулесса

Российские ученые впервые экспериментально подтвердили наличие промежуточной фазы между кристаллическим и жидким состоянием в плоской плазменно-пылевой системе. Исследование опубликовано в журнале Scientific Reports.

В 2016 году трое ученых — Майкл Костерлиц, Дэвид Таулесс и Дункан Холдейн — получили Нобелевскую премию по физике. Они заслужили ее теоретическим предсказанием промежуточной (гексатической) фазы между кристаллическим и жидким состоянием в плоской плазменно-пылевой системе. Теперь российские ученые из Объединенного института высоких температур РАН и МФТИ впервые экспериментально подтвердили эту теорию, получившую название 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”. 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», — рассказала одна из авторов исследования, старший научный сотрудник лаборатории диагностики пылевой плазмы ОИВТ РАН и аспирантка МФТИ Елена Васильева.

По словам ученых, хотя теории Березинского — Костерлица — Таулесса уже более 40 лет, никому до сих пор не удавалось экспериментально испытать ее в лабораторных плазменных системах. Разные исследователи уже наблюдали двумерные переходы в полимерных коллоидах, магнитных пузырьках в тонких пленках, жидких кристаллах и суперпроводниках. Но не существовало экспериментальных подтверждений двухстадийного плавления в пылевой плазме.

«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», — отметил другой автор исследования, директор ОИВТ РАН и заведующий лабораторией физики активных сред и систем МФТИ Олег Петров. В научной статье ученые подробно рассказали об эксперименте. Они описали способы точной идентификации точек фазового перехода и представили детальный анализ структурных свойств системы.

Изучение физических свойств двумерных систем имеет широкие перспективы для практического применения. Исследования в этой области могут стать основой для разработки, например, новых материалов с заданными свойствами и микроэлектронных устройств на их основе.