|
Странные металлы прольют свет на то, как устроен мир
|
|
|
|
Новое открытие может помочь ученым понять "странные металлы", класс материалов, которые связаны с высокотемпературными сверхпроводниками и имеют общие фундаментальные квантовые свойства с черными дырами. Ученые хорошо понимают, как температура влияет на электропроводность большинства обычных металлов, таких как медь или серебро. Но в последние годы исследователи обратили свое внимание на класс материалов, которые, похоже, не следуют традиционным правилам электропроводности. Понимание этих так называемых "странных металлов" может дать фундаментальное представление о квантовом мире и потенциально помочь ученым понять такие странные явления, как высокотемпературная сверхпроводимость. Теперь исследовательская группа под руководством физика из Университета Брауна добавила новое открытие к списку странных металлов.
|
|
|
В исследовании, опубликованном в журнале Nature, группа обнаружила странное поведение металла в материале, в котором электрический заряд переносится не электронами, а более "волнообразными" образованиями, называемыми парами Купера. В то время как электроны относятся к классу частиц, называемых фермионами, пары Купера действуют как бозоны, которые подчиняются совсем другим правилам, чем фермионы. Впервые странное поведение металла было замечено в бозонной системе, и исследователи надеются, что это открытие может помочь найти объяснение тому, как работают странные металлы - то, что ускользало от внимания ученых на протяжении десятилетий. "У нас есть два принципиально разных типа частиц, поведение которых сходится вокруг загадки", - говорит Джим Валлес, профессор физики в Брауне и соавтор исследования. "Это говорит о том, что любая теория, объясняющая странное поведение металлов, не может быть специфичной для одного из типов частиц. Она должна быть более фундаментальной".
|
|
|
|
Странные металлы
|
|
|
|
Странное поведение металлов было впервые обнаружено около 30 лет назад в классе материалов, называемых купратами. Эти медно-оксидные материалы наиболее известны как высокотемпературные сверхпроводники, то есть они проводят электричество с нулевым сопротивлением при температурах, намного превышающих температуры обычных сверхпроводников. Но даже при температурах выше критической температуры сверхпроводимости купраты ведут себя странно по сравнению с другими металлами.
|
|
|
|
При повышении температуры сопротивление купратов увеличивается строго линейно. В обычных металлах сопротивление увеличивается лишь настолько, что становится постоянным при высоких температурах в соответствии с так называемой теорией жидкости Ферми. Сопротивление возникает, когда электроны, летящие в металле, ударяются о вибрирующую атомную структуру металла, что приводит к их рассеиванию. Теория жидкости Ферми устанавливает максимальную скорость, с которой может происходить рассеяние электронов. Но странные металлы не подчиняются правилам Ферми-жидкости, и никто не знает, как они работают. Ученые знают, что зависимость между температурой и сопротивлением в странных металлах, по-видимому, связана с двумя фундаментальными константами природы: постоянной Больцмана, которая представляет собой энергию, производимую случайным тепловым движением, и постоянной Планка, которая относится к энергии фотона (частицы света). "Чтобы попытаться понять, что происходит в этих странных металлах, специалисты применили математические подходы, аналогичные тем, которые используются для понимания черных дыр", - говорит Валлес. "Так что в этих материалах происходит какая-то очень фундаментальная физика".
|
|
|
|
О бозонах и фермионах
|
|
|
|
В последние годы Валлес и его коллеги изучают электрическую активность, в которой носителями заряда являются не электроны. В 1952 году нобелевский лауреат Леон Купер, ныне заслуженный профессор физики Брауна, обнаружил, что в обычных сверхпроводниках (не в высокотемпературных, открытых позже) электроны объединяются в пары Купера, которые могут скользить по атомной решетке без сопротивления. Несмотря на то, что пары Купера образованы двумя электронами, которые являются фермионами, они могут действовать как бозоны.
|
|
|
|
"Фермионные и бозонные системы обычно ведут себя совершенно по-разному", - сказал Валлес. "В отличие от отдельных фермионов, бозонам разрешено разделять одно и то же квантовое состояние, что означает, что они могут двигаться коллективно, как молекулы воды в ряби волны".
|
|
|
|
В 2019 году Валлес и его коллеги показали, что парные бозоны Купера могут проявлять металлическое поведение, что означает, что они могут проводить электричество с некоторым сопротивлением. Это само по себе было удивительным открытием, говорят исследователи, потому что элементы квантовой теории предполагали, что такое явление не должно быть возможным. В ходе последнего исследования команда хотела выяснить, являются ли бозонные металлы с куперовской парой также странными металлами.
|
|
|
|
Команда использовала купратный материал под названием иттрий-бариевый оксид меди с крошечными отверстиями, которые вызывают металлическое состояние пары Купера. Команда охладила материал до температуры чуть выше температуры сверхпроводимости, чтобы наблюдать изменения в его проводимости. Они обнаружили, что, подобно фермионным странным металлам, проводимость металла с куперовской парой линейно зависит от температуры.
|
|
|
|
Исследователи говорят, что это новое открытие даст теоретикам что-то новое для размышления, когда они будут пытаться понять поведение странных металлов.
|
|
|
|
"Для теоретиков было сложной задачей придумать объяснение тому, что мы видим в странных металлах", - сказал Валлес. "Наша работа показывает, что если вы собираетесь моделировать перенос заряда в странных металлах, то эта модель должна применяться как к фермионам, так и к бозонам - несмотря на то, что эти типы частиц подчиняются принципиально разным правилам".
|
|
|
|
В конечном счете, теория странных металлов может иметь огромные последствия. Поведение странных металлов может стать ключом к пониманию высокотемпературной сверхпроводимости, которая имеет огромный потенциал для таких вещей, как электросети без потерь и квантовые компьютеры. А поскольку поведение странных металлов, похоже, связано с фундаментальными константами Вселенной, понимание их поведения может пролить свет на основные истины о том, как устроен физический мир.
|
|
|
|
Источник
|
