Wetenschappers van het Joint Institute for High Temperatures Russian Academy of Sciences (JIHT RAS) en het Moscow Institute of Physics and Technology (MIPT) hebben experimenteel de aanwezigheid bevestigd van een tussenfase tussen de kristallijne en vloeibare toestand in een monolaag stoffig plasmasysteem. De theoretische voorspelling van de tussenliggende – hexatische – fase werd in 2016 bekroond met de Nobelprijs voor de Natuurkunde:de prijs werd toegekend aan Michael Kosterlitz, David Thouless en Duncan Haldane met de formulering "voor theoretische ontdekkingen van topologische faseovergangen en topologische fasen van materie."

In een wetenschappelijk artikel in het tijdschrift Wetenschappelijke rapporten , de JIHT RAS-wetenschappers hun observaties en gedetailleerde beschrijvingen van experimenten publiceerden, waarin ze voor het eerst de hexatische fase in tweedimensionale structuren in plasma observeerden. Het document beschrijft methoden voor het nauwkeurig identificeren van faseovergangspunten en presenteert een gedetailleerde analyse van de structurele eigenschappen van een dergelijk systeem. De tijdens het experiment verkregen gegevens zijn volledig in overeenstemming met de theorie van Berezinsky-Kosterlitz-Thouless.

"Ons ontwerp van experiment maakt het mogelijk om een ​​tweetraps proces van kristalsmelten duidelijk waar te nemen en om de punten van de faseovergang 'vaste-hexatische fase' en 'hexatische fase-vloeistof te identificeren, '" zei Ph.D. Elena Vasilieva, de senior onderzoeker in Laboratory of Dusty Plasma Diagnostics, JIHT RAS. "De lange tijd van het experiment, voldoende om een ​​stationaire toestand van het systeem tot stand te brengen, in combinatie met nauwkeurige methoden om de temperatuur van deeltjes te regelen, maakte het mogelijk om de parameters van het systeem soepel te wijzigen en de hexatische fase te "vangen".

Volgens Elena Vasilieva, ondanks het bestaan ​​van de theorie van Berezinsky-Kosterlitz-Thouless gedurende meer dan 40 jaar, die het smelten in twee fasen van een kristal naar een vloeibare fase voorspelt met de vorming van een tussenliggende hexatische fase, het is nog niet mogelijk geweest om deze processen in laboratoriumplasmasystemen te bestuderen. Tweedimensionale overgangen zijn al waargenomen in polymeercolloïden, magnetische bellen in dunne films, vloeibare kristallen, en supergeleiders, maar er is lange tijd geen experimenteel bewijs geweest van smelten in twee fasen in stoffige plasma's.

"Ons experiment was succesvol vanwege een aantal factoren. we gebruikten een onconventionele benadering om een ​​stoffig systeem met één laag te vormen, we gebruikten namelijk deeltjes met een metalen oppervlak die laserstraling kunnen absorberen en omzetten in de energie van hun eigen beweging. Het deeltjessysteem had een lange tijd voor ontspanning voordat de experimentele reeks werd opgenomen. In aanvulling, een homogene laserstraal werd gebruikt om de structuur en de precieze verwarming ervan uniform te beïnvloeden, " merkte Oleg Petrov op, de directeur van het Joint Institute for High Temperatures Russian Academy of Sciences.

De studie van de fysische eigenschappen van tweedimensionale systemen is van groot praktisch belang. Dergelijk onderzoek ontwikkelt zich nu snel, in de toekomst nieuwe materialen beloven met gewenste eigenschappen en daarop gebaseerde apparaten in de micro-elektronica, medicijn voor DNA-sequencing, enzovoort.

De resultaten die in het artikel worden gepresenteerd, zijn verkregen met de steun van de Russian Science Foundation in het kader van het project "Actieve Brownse beweging van Coulomb-deeltjes in plasma en superfluid helium."