Forskare från Joint Institute for High Temperatures Russian Academy of Sciences (JIHT RAS) och Moscow Institute of Physics and Technology (MIPT) har experimentellt bekräftat närvaron av en mellanfas mellan det kristallina och flytande tillståndet i ett monolager dammigt plasmasystem. Den teoretiska förutsägelsen av den mellanliggande—hexatiska—fasen hedrades med Nobelpriset i fysik 2016:priset tilldelades Michael Kosterlitz, David Thouless och Duncan Haldane med formuleringen "för teoretiska upptäckter av topologiska fasövergångar och topologiska faser av materia."

I en vetenskaplig artikel i tidningen Vetenskapliga rapporter , JIHT RAS-forskarna publicerade sina observationer och detaljerade beskrivningar av experiment, under vilken de först observerade den hexatiska fasen i tvådimensionella strukturer i plasma. Uppsatsen beskriver metoder för att noggrant identifiera fasövergångspunkter och presenterar en detaljerad analys av de strukturella egenskaperna hos ett sådant system. Data som erhölls under experimentet överensstämmer helt med Berezinsky-Kosterlitz-Thouless-teorin.

"Vår design av experiment gör det möjligt att tydligt observera en tvåstegsprocess av kristallsmältning och att identifiera punkterna för fasövergången 'fast-hexatisk fas' och 'hexatisk fas-vätska, '' sa doktor Elena Vasilieva, seniorforskare vid Laboratory of Dusty Plasma Diagnostics, JIHT RAS. "Experimentets långa tid, tillräckligt för att fastställa ett stationärt tillstånd för systemet, i kombination med exakta metoder för att kontrollera temperaturen på partiklar, gjort det möjligt att smidigt ändra systemets parametrar och "fånga" den hexatiska fasen. "

Enligt Elena Vasilieva, trots existensen av Berezinsky-Kosterlitz-Thouless-teorin i mer än 40 år, som förutsäger tvåstegssmältning från en kristall till en flytande fas med bildandet av en mellanliggande hexatisk fas, det har ännu inte varit möjligt att studera dessa processer i laboratorieplasmasystem. Tvådimensionella övergångar har redan observerats i polymerkolloider, magnetiska bubblor i tunna filmer, flytande kristaller, och supraledare, men det har inte funnits några experimentella bevis för tvåstegssmältning i dammiga plasma på länge.

"Vårt experiment var framgångsrikt på grund av ett antal faktorer. Till exempel, vi använde ett okonventionellt tillvägagångssätt för att bilda ett enskiktigt dammigt system, vi använde nämligen partiklar med en metallyta som kan absorbera laserstrålning och omvandla den till energi från sin egen rörelse. Partikelsystemet hade lång tid för avkoppling innan experimentserien spelades in. Dessutom, en homogen laserstråle användes för att likformigt påverka strukturen och dess exakta uppvärmning, " kommenterade Oleg Petrov, chefen för Joint Institute for High Temperatures Russian Academy of Sciences.

Studiet av de fysikaliska egenskaperna hos tvådimensionella system är av stor praktisk betydelse. Sådan forskning utvecklas nu snabbt, lovar i framtiden nya material med önskade egenskaper och enheter baserade på dem inom mikroelektronik, medicin för DNA-sekvensering, etc.

Resultaten som presenteras i artikeln erhölls med stöd av Russian Science Foundation inom ramen för projektet "Aktiv Brownsk rörelse av Coulomb-partiklar i plasma och superfluid helium."