Более 40 лет физики не могли объяснить поведение «странных металлов», которые при сильном охлаждении вели себя не так, как обычные металлы. Если в обычных металлах сверхпроводимость возникала и мгновенно исчезала при какой-то четкой температурной отметке, то сопротивление странных металлов изменялось линейно с температурой. Четкого объяснения этому не было, пока это недавно не сделали физики из США.
Источник изображения: Люси Ридинг-Икканда/Фонд Саймонса.
Всестороннее обоснование теории поведения странных металлов — металлов, не подчиняющихся теории ферми-жидкости — сделал руководитель проекта Аавишкар Патель (Aavishkar Patel) из Центра вычислительной квантовой физики (CCQ) Flatiron Institute в Нью-Йорке. Йорк и физики Хаоя Го, Илья Эстерлис и Субир Сачдев из Гарвардского университета. Как минимум, ученые обосновали ряд характерных свойств «странных металлов». Согласованная теория может помочь ответить на вопросы о достижении сверхпроводимости при высоких температурах и помочь в разработке квантовых компьютеров. Квантовая механика стала инструментом, который помог разобраться в этом вопросе.
Новая теория опирается на два ключевых свойства странных металлов. Во-первых, электроны в таких металлах могут запутываться друг с другом — переходить в абсолютно идентичные квантовые состояния — и оставаться в этом состоянии, даже когда они находятся далеко друг от друга. Во-вторых, странные металлы имеют неравномерное расположение атомов.
«Ни одно из этих свойств по отдельности не объясняет странности «странных металлов», но вместе все становится на свои места», — пояснил руководитель проекта.
Неравномерность атомной структуры странного металла означает, что запутывание электронов зависит от того, в какой части материала оно происходит. Это разнообразие вносит случайность в импульс электронов, когда они движутся через материал и взаимодействуют друг с другом. Вместо того, чтобы течь вместе, электроны сталкиваются друг с другом во всех направлениях, что приводит к электрическому сопротивлению. Поскольку электроны сталкиваются тем чаще, чем горячее материал, электрическое сопротивление увеличивается с температурой, что и наблюдается на практике. Там, где обычные металлы переходят от сверхпроводимости к резкому увеличению сопротивления, странные металлы продолжают пропускать ток с постепенным увеличением сопротивления току.
Ключом к новой теории было то, что физики объединили два явления — запутанность и неоднородность, которые ранее не рассматривались для одного материала, и по отдельности это не приводит к странному поведению металлов. Таким образом, ученые предлагают механизм коррекции условий сверхпроводимости в странных металлах. Искусственно созданные неоднородности могут воспроизводить сверхпроводимость в нужном для заданных целей месте, что можно использовать, например, в квантовых компьютерах. Когда вы можете на что-то повлиять, это может привести к желаемому результату.
«Бывают случаи, когда что-то хочет перейти в сверхпроводящее состояние, но не может этого сделать, потому что сверхпроводимость блокируется другим конкурирующим состоянием», — говорит Патель. «Тогда можно задаться вопросом, может ли присутствие этих неоднородностей разрушить эти другие состояния, с которыми конкурирует сверхпроводимость, и оставить открытым путь для сверхпроводимости».
Специальная подборка для Вас