Десять значимых событий 2025 года в физике и астрономии
1Двумерные металлы
Открытие в 2004 году графена — листа углерода толщиной всего в один атом — ознаменовало новую эру в материаловедении. Оказалось, что такие материалы, получившие название двумерных, обладают необычными свойствами, полезными для различного применения. С тех пор в лабораториях изготовлены и изучены сотни других двумерных материалов. Большинство из них представляют собой слоистые кристаллы с ван-дер-ваальсовыми связями между слоями. Силы Ван-дер-Ваальса возникают из-за колебаний электронных оболочек в атомах и молекулах, приводящих к образованию временных диполей, которые в свою очередь поляризуют собратьев из соседнего слоя. Это приводит к слабому притяжению между слоями в отличие от сильных ковалентных связей атомов внутри слоя. Такое строение позволяет слоям подобного кристалла легко отслаиваться, что все наблюдали на примере графита. Однако создание двумерных металлических листов считалось ранее невозможным, поскольку каждый атом в металле надёжно связан с соседями во всех направлениях.
Справедливости ради надо сказать, что реальные двумерные материалы могут иметь толщину и в несколько атомов. Однако получение даже таких больших металлических листов оставалось серьёзной проблемой. А те образцы, что всё же удавалось изготовить, были очень низкого качества и крайне нестабильны.
Задачу решили исследователи из Института физики Китайской академии наук. Они разработали удобную и универсальную технологию производства двумерных металлов, которую назвали ван-дер-ваальсовым сжатием. Результаты работы были опубликованы в журнале Nature1.
1. Zhao J., Li L., Li P. et al. Realization of 2D metals at the ångström thickness limit. Nature 639, 354—359 (2025).
Для изготовления двумерного листа авторы расплавляли порошки чистых металлов между высококачественными однослойными монокристаллическими наковальнями из дисульфида молибдена (MoS2), выращенными на сапфире, а затем сжимали их под высоким давлением в 200 МПа. В таком положении наковальни находились, пока всё не остывало до комнатной температуры. В результате исследователи сумели получить листы висмута, олова, свинца, индия и галлия толщиной от 5,8 до 9,2 ангстрем (Å, 1 Å = 10−10 м). Это примерно в миллион раз тоньше листа бумаги для принтера. Для сравнения: размер атомов — 1—2 Å.
Наковальни должны быть идеально плоскими и не иметь оборванных связей. Тогда они обеспечивают равномерную толщину листа металла в больших масштабах и не образуют с ним ковалентных связей, а только ван-дер-ваальсовы. Благодаря этому можно потом легко отделить лист от наковален. Выбор сапфира в качестве основания позволяет наковальням выдерживать экстремальные давления, благодаря чему листы металла между ними приближаются к пределу толщины. Кроме того, толщину можно регулировать степенью сжатия, что раньше было невозможно.
Разработанная технология открывает новые горизонты в исследованиях 2D-металлов, которые имеют перспективы для изготовления сверхмалых маломощных транзисторов, прозрачных и гибких дисплеев, высокочастотных устройств и сверхчувствительных датчиков. Не исключено, что их можно будет использовать для высокоэффективного катализа. Более того, метод ван-дер-ваальсова сжатия дал эффективный способ производства двумерных металлических сплавов, аморфных и других неслоистых материалов, что создаёт многообещающие возможности для их широкого применения в квантовых, электронных и фотонных устройствах.
2Сверхтвёрдый свет
Группа физиков из Италии, Австрии и США в статье, опубликованной в журнале Nature2, сообщила о разработке способа превращения лазерного света в сверхтвёрдое тело. К этому стоит добавить, что подобное тело — экзотическое состояние вещества, которое сочетает свойства кристалла и сверхтекучей жидкости.
2. Trypogeorgos D., Gian-frate A., Landini M. et al. Emerging supersolidity in photonic-crystal polariton condensates. Nature 639, 337—341 (2025).
Сверхтвёрдые тела — это вопреки названию не твёрдые тела, а квантовые материалы, которые объединяют, казалось бы, несочетаемые свойства. С одной стороны, составляющие их частицы расположены в кристаллической структуре подобно обычной поваренной соли, с другой — обладают нулевой вязкостью, и если попытаться это вещество сдвинуть или повернуть, часть его атомов может перемещаться, не испытывая никакого трения, подобно сверхтекучему гелию. В русскоязычной научной литературе сверхтвёрдые тела также называют сверхтекучими твёрдыми телами. До сих пор подобные материалы получали только в экспериментах с атомами, охлаждёнными до чрезвычайно низких температур, когда квантовые эффекты становятся заметными.
Сверхтекучесть квантовых кристаллов была предсказана ещё в 1969 году советскими физиками Александром Фёдоровичем Андреевым и Ильёй Михайловичем Лифшицем, а через год, независимо, Энтони Д. Легетт (впоследствии ставший нобелевским лауреатом по физике 2003 года) придумал своё суперстекло. Однако убедительные экспериментальные доказательства существования этой фазы материи появились лишь недавно, в 2017 году. И в настоящее время данное явление активно исследуется.
В упомянутой выше статье вместо ультрахолодных атомов исследователи использовали полупроводниковый волновод из арсенида галлия, имеющий специальную ребристую структуру. Взаимодействие света лазера с полупроводником (фотонов с возбуждениями кристалла — экситонами) приводит к образованию составных квазичастиц поляритонов. Узкие гребни ограничили движение этих квазичастиц, удерживая в определённом положении, что в итоге позволило поляритонам, образовав кристаллическую структуру, объединиться в сверхтвёрдое состояние.
Это достижение представляет собой значительный прорыв в физике конденсированного состояния и квантовой оптике, который отворяет путь к новым открытиям в сфере квантовых состояний материи и их практическому применению, ведь в отличие от атомарных систем поляритонная может работать при комнатной температуре и, как ожидают авторы, будет более управляемой. В частности, это может помочь в решении проблемы высокотемпературной сверхпроводимости. Кроме того, поляритонные системы могут найти применение в квантовых вычислениях, в высокоскоростных устройствах оптической памяти, в устройствах фотоники и прецизионных сенсорах.
3Новое поколение светодиодов
Легированные лантаноидами изолирующие наночастицы в настоящее время широко изучаются, поскольку обладают ценными люминесцентными свойствами. Они способны давать яркое, чрезвычайно узкополосное, стабильное (немигающее и невыцветающее) излучение, особенно во втором ближнем инфракрасном диапазоне 1000—1700 нм. (Этот диапазон важен тем, что свет с такими длинами волн может проникать глубоко в биологические ткани.) Однако их изолирующая природа — большие запрещённые зоны энергий электронов — означает, что в обычных условиях такие наночастицы представляют собой диэлектрики и их невозможно возбуждать электрическим током при низких напряжениях. А именно это требуется для практического применения оптоэлектронных устройств на их основе.
Исследовательская группа, в основном из Кавендишской лаборатории Кембриджского университета (Великобритания), разработала способ пропустить электрический ток через такие материалы при низких напряжениях около 5 В. Их работа, опубликованная в журнале Nature3, рассказывает о создании нового класса светодиодов, получивших название LnLED. Кроме того, авторы научились широко регулировать свойства их излучения путём изменения типа и концентрации легирующих примесей лантаноидов.
3. Yu Z., Deng Y., Ye J. et al. Triplets electrically turn on insulating lanthanide-doped nanoparticles. Nature 647, 625—631 (2025).
Для решения проблемы неэлектропроводности исследователи создали органическо-неорганическую гибридную структуру. Они прикрепили к поверхности наночастиц лантаноидов органический краситель, называемый 9-антраценкарбоновой кислотой (9-ACA). В новых светодиодах электрические заряды вводятся не непосредственно в наночастицы, а в молекулы 9-ACA, которые действуют как молекулярные антенны. После получения энергии эти молекулы переходят в возбуждённое триплетное состояние. В изобретённой исследователями структуре энергия возбуждённых триплетов с эффективностью более 98% передаётся ионам лантаноидов внутри изолирующих наночастиц, заставляя их излучать свет с удивительной яркостью.
Качество такого излучения значительно выше, чем у многих конкурирующих технологий, включая полупроводниковые квантовые точки и органические красители. Поэтому новые светодиоды перспективны для применения в биомедицинском зондировании и оптической связи, где необходима очень чёткая длина волны, чего чрезвычайно трудно добиться у других материалов. Потенциально пригодные для инъекций или для встраивания в носимые устройства, они могут использоваться для глубокой визуализации тканей с целью обнаружения раковых заболеваний или отслеживания функций внутренних органов в режиме реального времени, а также высокоточного запуска лекарственных препаратов, активируемых светом. Кроме того, на основе новой технологии можно создать высокочувствительные датчики, обнаруживающие специфические химические вещества или биологические маркеры.