Cientistas do Instituto Conjunto de Altas Temperaturas da Academia Russa de Ciências (JIHT RAS) e do Instituto de Física e Tecnologia de Moscou (MIPT) confirmaram experimentalmente a presença de uma fase intermediária entre os estados cristalino e líquido em um sistema de plasma em monocamada empoeirado. A previsão teórica da fase intermediária — hexática — foi homenageada com o Prêmio Nobel de Física em 2016:o prêmio foi concedido a Michael Kosterlitz, David Thouless e Duncan Haldane com a formulação "para descobertas teóricas de transições de fase topológicas e fases topológicas da matéria".

Em um artigo científico na revista Relatórios Científicos , os cientistas do JIHT RAS publicaram suas observações e descrições detalhadas de experimentos, durante o qual eles observaram pela primeira vez a fase hexática em estruturas bidimensionais no plasma. O artigo descreve métodos para identificar com precisão os pontos de transição de fase e apresenta uma análise detalhada das propriedades estruturais de tal sistema. Os dados obtidos durante o experimento são totalmente consistentes com a teoria de Berezinsky-Kosterlitz-Thouless.

"Nosso projeto de experimento torna possível observar claramente um processo de fusão de cristais em dois estágios e identificar os pontos de transição de fase 'fase sólida-hexática' e 'fase hexática-líquida, '"disse a Ph.D. Elena Vasilieva, o pesquisador sênior do Laboratory of Dusty Plasma Diagnostics, JIHT RAS. "O longo tempo do experimento, suficiente para estabelecer um estado estacionário do sistema, em combinação com métodos precisos de controle da temperatura das partículas, tornou possível alterar suavemente os parâmetros do sistema e "capturar" a fase hexática. "

De acordo com Elena Vasilieva, apesar da existência da teoria de Berezinsky-Kosterlitz-Thouless por mais de 40 anos, que prevê a fusão de dois estágios de um cristal para uma fase líquida com a formação de uma fase hexática intermediária, ainda não foi possível estudar esses processos em sistemas de plasma de laboratório. Transições bidimensionais já foram observadas em coloides de polímero, bolhas magnéticas em filmes finos, cristais líquidos, e supercondutores, mas há muito não há evidências experimentais de derretimento em dois estágios em plasmas empoeirados.

"Nosso experimento foi bem-sucedido devido a vários fatores. Por exemplo, usamos uma abordagem não convencional para formar um sistema empoeirado de monocamada, nomeadamente, usamos partículas com uma superfície metálica que são capazes de absorver a radiação laser e convertê-la na energia do seu próprio movimento. O sistema de partículas teve muito tempo para relaxar antes de registrar a série experimental. Além disso, um feixe de laser homogêneo foi usado para influenciar uniformemente a estrutura e seu aquecimento preciso, "comentou Oleg Petrov, o diretor do Instituto Conjunto de Altas Temperaturas da Academia Russa de Ciências.

O estudo das propriedades físicas de sistemas bidimensionais é de grande importância prática. Essa pesquisa está agora se desenvolvendo rapidamente, prometendo no futuro novos materiais com propriedades desejadas e dispositivos baseados neles em microeletrônica, medicamento para sequenciamento de DNA, etc.

Os resultados apresentados no artigo foram obtidos com o apoio da Russian Science Foundation no âmbito do projeto "Movimento browniano ativo das partículas de Coulomb em plasma e hélio superfluido".