Obična materija, kada se ohladi, prelazi iz plina u tekućinu. Ako je još više ohladimo, ona se smrzava u kruto stanje. Međutim, kvantna materija može se ponašati vrlo različito. 

Početkom 20. stoljeća istraživači su otkrili kako helij, kad se ohladi, prelazi iz naizgled običnog plina u supertekućinu. Supertekućine teku bez gubitka energije, između ostalih kvantnih neobičnosti, poput sposobnosti izlaska iz spremnika.

Što se događa kad ih još više ohladite? Odgovor na ovo pitanje izmicao je fizičarima otkad su ga prvi put počeli postavljati prije pola stoljeća.

Tim fizičara sa Sveučilišta Columbia i Sveučilišta Texas u Austinu (SAD) primijetio je kako se supertekućina, koji se inače stalno kreće, zaustavlja i postaje nešto što izgleda kao superkrutina.

Superkrutine su pretpostavljena kvantna verzija klasične krutine, koja se definira kao fiksni raspored atoma u ponavljajućoj kristalnoj rešetki. Superkrutine, suprotno intuiciji, mogu biti istovremeno i tekuće i krute: kristalne, poput klasičnih krutina, ali bi mogle pokazivati ​​isti tok bez trenja kao i supertekućine.

Grafen priskače u pomoć

Unatoč predviđanjima, nitko još nije definitivno promatrao prijelaz iz supertekućine u superkrutinu u heliju ili bilo kojoj drugoj prirodnoj materiji. Istraživači su simulirali verzije superkrutina posljednjih godina, ali koristeći lasere i optičke elemente za stvaranje onoga što je poznato kao periodična zamka, koja pomaže nagovoriti tekućinu na uobličavanje kristalnog uzorka - pomalo poput želea zatvorenog u posudi za led.

Spontano formirana superkrutina ostala je enigmatična, ostavljajući jednu od velikih kontroverzi u fizici kondenzirane materije neriješenom sve dok se istraživači nisu okrenuli prirodnom kristalu: grafenu, sloju ugljikovih atoma debljine jednog atoma.

Grafen može ugostiti ekscitone, kvazičestice koje nastaju kada se slojevi grafena tanki poput dva atoma slože i manipuliraju tako da jedan sloj ima dodatne elektrone, a drugi dodatne šupljine (koje ostaju kada elektroni napuste sloj kao odgovor na svjetlost). 

Negativno nabijeni elektroni i pozitivno nabijene šupljine mogu se kombinirati u ekscitone. Dodajte jako magnetsko polje i ekscitoni mogu formirati supertekućinu.

Materijali poput grafena pojavili su se kao obećavajuće platforme za istraživanje i manipuliranje fenomenima poput superfluidnosti i supervodljivosti. To je zato što postoji niz različitih postavki koje istraživači mogu namjestiti, poput temperature, elektromagnetskih polja, pa čak i udaljenosti između slojeva.

Tijekom istraživanja uočen je neočekivani odnos između gustoće kvazičestica i temperature. Pri visokoj gustoći, njihovi ekscitoni ponašali su se poput supertekućine, ali kako im se gustoća smanjivala, prestajali su se kretati i postajali izolatori. Kada je tim povećao temperaturu, superfluidnost se vratila.

Rezultati istraživanja su objavljeni u časopisu Nature.