Физики из Брауновского и Мичиганского университетов впервые экспериментально получили и стабилизировали промежуточное фазовое состояние вещества, существовавшее ранее только в теоретических моделях. В исследовании, опубликованном в журнале «Science», ученые использовали наночастицы серебра особой формы для воссоздания структуры, которая возникает в металлах при переходе между двумя типами кристаллических решеток. Полученный материал продемонстрировал необычные квантово–оптические свойства при комнатной температуре.
В металлургии и материаловедении атомы металлов чаще всего организуются в границентрированную кубическую или объемноцентрированную кубическую решетку. Некоторые металлы, например железо при нагревании до 912 градусов Цельсия, способны перестраиваться из одной структуры в другую. Модель Нишиямы – Вассермана описывает этот процесс через возникновение крайне нестабильных промежуточных фаз, время жизни которых до сих пор не позволяло зафиксировать их напрямую в лабораторных условиях.
Авторы работы обошли это ограничение, собрав искусственную сверхрешетку из синтезированных наночастиц серебра. Частицы представляют собой усеченные октаэдры, которые авторы назвали «меконами». Данная геометрия занимает промежуточное положение между сферой и кубом. Поверхность наночастиц покрыли гибкими органическими молекулами, выполняющими роль связующих элементов. Регулируя температуру синтеза и подвижность молекулярных цепочек, ученые заставили частицы занять позиции, в точности соответствующие предсказанной переходной фазе. Компьютерное моделирование подтвердило стабильность полученной структуры.
Помимо фундаментального подтверждения теории фазовых переходов, созданный материал обнаружил выраженный квантовый эффект – глубокую сильную связь между светом и веществом. Электроны в наноструктуре серебра синхронизируются со световыми волнами, образуя запутанные состояния. Обычно подобные эффекты наблюдаются только при сверхнизких температурах, близких к абсолютному нулю, однако новая сверхрешетка сохраняет эти свойства при комнатной температуре. По оценкам исследователей, это открывает новые возможности для проектирования оптических элементов квантовых компьютеров и высокочувствительных сенсоров.