Científicos del Instituto Conjunto para Altas Temperaturas de la Academia de Ciencias de Rusia (JIHT RAS) y del Instituto de Física y Tecnología de Moscú (MIPT) han confirmado experimentalmente la presencia de una fase intermedia entre los estados cristalino y líquido en un sistema de plasma polvoriento monocapa. La predicción teórica de la fase intermedia —hexática— fue galardonada con el Premio Nobel de Física en 2016:el premio fue otorgado a Michael Kosterlitz, David Thouless y Duncan Haldane con la formulación "para los descubrimientos teóricos de las transiciones de fase topológica y las fases topológicas de la materia".

En un artículo científico de la revista Informes científicos , los científicos de JIHT RAS publicaron sus observaciones y descripciones detalladas de experimentos, durante el cual observaron por primera vez la fase hexática en estructuras bidimensionales en plasma. El documento describe métodos para identificar con precisión los puntos de transición de fase y presenta un análisis detallado de las propiedades estructurales de dicho sistema. Los datos obtenidos durante el experimento son totalmente consistentes con la teoría de Berezinsky-Kosterlitz-Thouless.

“Nuestro diseño de experimento permite observar claramente un proceso de fusión de cristales en dos etapas e identificar los puntos de transición de fase 'fase sólida-hexática' y 'fase hexática-líquido, '", dijo la doctora Elena Vasilieva, el investigador principal del Laboratorio de Diagnóstico de Plasma Polvoriento, JIHT RAS. "El largo tiempo del experimento, suficiente para establecer un estado estacionario del sistema, en combinación con métodos precisos para controlar la temperatura de las partículas, hizo posible cambiar suavemente los parámetros del sistema y "capturar" la fase hexática ".

Según Elena Vasilieva, a pesar de la existencia de la teoría Berezinsky-Kosterlitz-Thouless durante más de 40 años, que predice la fusión en dos etapas de un cristal a una fase líquida con la formación de una fase hexática intermedia, aún no ha sido posible estudiar estos procesos en sistemas de plasma de laboratorio. Ya se han observado transiciones bidimensionales en coloides poliméricos, burbujas magnéticas en películas delgadas, cristales líquidos, y superconductores, pero no ha habido evidencia experimental de fusión en dos etapas en plasmas polvorientos durante mucho tiempo.

"Nuestro experimento tuvo éxito debido a varios factores. Por ejemplo, utilizamos un enfoque poco convencional para formar un sistema polvoriento monocapa, es decir, utilizamos partículas con una superficie metálica que son capaces de absorber la radiación láser y convertirla en energía de su propio movimiento. El sistema de partículas tuvo mucho tiempo para relajarse antes de grabar la serie experimental. Además, Se utilizó un rayo láser homogéneo para influir uniformemente en la estructura y su calentamiento preciso, "comentó Oleg Petrov, el director del Instituto Conjunto para las Altas Temperaturas de la Academia de Ciencias de Rusia.

El estudio de las propiedades físicas de los sistemas bidimensionales es de gran importancia práctica. Esta investigación se está desarrollando ahora rápidamente, prometedores en el futuro nuevos materiales con propiedades deseadas y dispositivos basados ​​en ellos en microelectrónica, medicina para la secuenciación del ADN, etc.

Los resultados presentados en el artículo se obtuvieron con el apoyo de la Russian Science Foundation en el marco del proyecto "Movimiento browniano activo de partículas de Coulomb en plasma y helio superfluido".