Des scientifiques de l'Institut conjoint des hautes températures de l'Académie des sciences de Russie (JIHT RAS) et de l'Institut de physique et de technologie de Moscou (MIPT) ont confirmé expérimentalement la présence d'une phase intermédiaire entre les états cristallin et liquide dans un système plasma monocouche poussiéreux. La prédiction théorique de la phase intermédiaire – hexatique – a été récompensée par le prix Nobel de physique en 2016 :le prix a été décerné à Michael Kosterlitz, David Thouless et Duncan Haldane avec la formulation "pour les découvertes théoriques des transitions de phase topologiques et des phases topologiques de la matière".

Dans un article scientifique de la revue Rapports scientifiques , les scientifiques du JIHT RAS ont publié leurs observations et descriptions détaillées des expériences, au cours de laquelle ils ont d'abord observé la phase hexatique dans des structures bidimensionnelles dans le plasma. L'article décrit des méthodes pour identifier avec précision les points de transition de phase et présente une analyse détaillée des propriétés structurelles d'un tel système. Les données obtenues au cours de l'expérience sont tout à fait cohérentes avec la théorie de Berezinsky-Kosterlitz-Thouless.

"Notre plan d'expérience permet d'observer clairement un processus de fusion cristalline en deux étapes et d'identifier les points de transition de phase 'phase solide-hexatique' et 'phase hexatique-liquide, '", a déclaré le Ph.D. Elena Vasilieva, le chercheur principal du Laboratoire de diagnostic du plasma poussiéreux, JIHT RAS. "La longue durée de l'expérience, suffisant pour établir un état stationnaire du système, en combinaison avec des méthodes précises de contrôle de la température des particules, a permis de modifier en douceur les paramètres du système et de « rattraper » la phase hexatique. »

Selon Elena Vassilieva, malgré l'existence de la théorie Berezinsky-Kosterlitz-Thouless depuis plus de 40 ans, qui prédit une fusion en deux étapes d'une phase cristalline à une phase liquide avec formation d'une phase hexatique intermédiaire, il n'a pas encore été possible d'étudier ces processus dans des systèmes plasma de laboratoire. Des transitions bidimensionnelles ont déjà été observées dans des colloïdes polymères, bulles magnétiques en couches minces, cristaux liquides, et supraconducteurs, mais il n'y a eu aucune preuve expérimentale d'une fusion en deux étapes dans des plasmas poussiéreux depuis longtemps.

"Notre expérience a été couronnée de succès en raison d'un certain nombre de facteurs. Par exemple, nous avons utilisé une approche non conventionnelle pour former un système poussiéreux monocouche, à savoir, nous avons utilisé des particules avec une surface métallique qui sont capables d'absorber le rayonnement laser et de le convertir en énergie de leur propre mouvement. Le système de particules a eu un long temps de relaxation avant d'enregistrer la série expérimentale. En outre, un faisceau laser homogène a été utilisé pour influencer uniformément la structure et son chauffage précis, " a commenté Oleg Petrov, le directeur de l'Institut commun des hautes températures de l'Académie des sciences de Russie.

L'étude des propriétés physiques des systèmes bidimensionnels est d'une grande importance pratique. Une telle recherche se développe maintenant rapidement, promettant à l'avenir de nouveaux matériaux aux propriétés recherchées et des dispositifs basés sur ceux-ci en microélectronique, médicament pour le séquençage de l'ADN, etc.

Les résultats présentés dans l'article ont été obtenus avec le soutien de la Russian Science Foundation dans le cadre du projet "Active Brownian motion of Coulomb particules in plasma and superfluid helium".