Scienziati dell'Istituto congiunto per le alte temperature dell'Accademia russa delle scienze (JIHT RAS) e dell'Istituto di fisica e tecnologia di Mosca (MIPT) hanno confermato sperimentalmente la presenza di una fase intermedia tra gli stati cristallino e liquido in un sistema di plasma polveroso monostrato. La previsione teorica della fase intermedia – esatica – è stata insignita del Premio Nobel per la Fisica nel 2016:il premio è stato assegnato a Michael Kosterlitz, David Thouless e Duncan Haldane con la formulazione "per le scoperte teoriche delle transizioni di fase topologiche e delle fasi topologiche della materia".

In un articolo scientifico sulla rivista Rapporti scientifici , gli scienziati del JIHT RAS hanno pubblicato le loro osservazioni e descrizioni dettagliate degli esperimenti, durante il quale hanno osservato per la prima volta la fase esatica in strutture bidimensionali nel plasma. Il documento descrive i metodi per identificare con precisione i punti di transizione di fase e presenta un'analisi dettagliata delle proprietà strutturali di un tale sistema. I dati ottenuti durante l'esperimento sono pienamente coerenti con la teoria di Berezinsky-Kosterlitz-Thouless.

"Il nostro progetto di esperimento consente di osservare chiaramente un processo a due stadi di fusione dei cristalli e di identificare i punti della transizione di fase 'fase solida-esatica' e 'fase esatica-liquida, '" ha detto la dottoressa Elena Vasilieva, il ricercatore senior nel Laboratorio di Diagnostica del Plasma Polveroso, JIHT RAS. "Il lungo tempo dell'esperimento, sufficiente per stabilire uno stato stazionario del sistema, in combinazione con metodi precisi di controllo della temperatura delle particelle, ha permesso di modificare senza problemi i parametri del sistema e "catturare" la fase esatica".

Secondo Elena Vasilieva, nonostante l'esistenza della teoria di Berezinsky-Kosterlitz-Thouless da più di 40 anni, che prevede la fusione a due stadi da un cristallo a una fase liquida con la formazione di una fase esatica intermedia, non è stato ancora possibile studiare questi processi in sistemi al plasma di laboratorio. Transizioni bidimensionali sono già state osservate nei colloidi polimerici, bolle magnetiche in film sottili, cristalli liquidi, e superconduttori, ma non ci sono state prove sperimentali di fusione a due stadi in plasmi polverosi per molto tempo.

"Il nostro esperimento ha avuto successo a causa di una serie di fattori. Ad esempio, abbiamo utilizzato un approccio non convenzionale per formare un sistema polveroso monostrato, vale a dire abbiamo utilizzato particelle con una superficie metallica in grado di assorbire la radiazione laser e convertirla nell'energia del proprio movimento. Il sistema di particelle ha avuto molto tempo per rilassarsi prima di registrare la serie sperimentale. Inoltre, un raggio laser omogeneo è stato utilizzato per influenzare uniformemente la struttura e il suo riscaldamento preciso, " ha commentato Oleg Petrov, il direttore dell'Istituto congiunto per le alte temperature dell'Accademia delle scienze russa.

Lo studio delle proprietà fisiche dei sistemi bidimensionali è di grande importanza pratica. Tale ricerca è ora in rapido sviluppo, promettendo in futuro nuovi materiali con le proprietà desiderate e dispositivi basati su di essi nella microelettronica, medicina per il sequenziamento del DNA, eccetera.

I risultati presentati nell'articolo sono stati ottenuti con il supporto della Russian Science Foundation nell'ambito del progetto "Movimento browniano attivo delle particelle di Coulomb nel plasma e nell'elio superfluido".