Ученые открыли новое состояние вещества

Ученые давно установили, что сложные соединения меди — купраты — ведут себя не так, как прочие металлы. Теперь же американские физики увидели в них новое состояние вещества. Эти материалы открывают возможность создания высокотемпературных сверхпроводников, необходимых энергетике и приборостроению. 

Первые высокотемпературные сверхпроводники

В 1911 году физики из Голландии обнаружили, что при температуре, близкой к абсолютному нулю — всего три кельвина, или минус 270 градусов Цельсия, — сопротивление ртути становится нулевым: электрический ток передается через металл без потерь. Так открыли сверхпроводимость.

Затем ее наблюдали в некоторых других металлах и сплавах. Температура перехода в это состояние, названная критической, несколько различалась, но всегда была экстремально низкой, достижимой лишь в лабораторных криогенных установках с помощью жидкого гелия.

Ситуация изменилась в 1986-м, когда сотрудники научного подразделения корпорации IBM Карл Мюллер и Георг Беднорц открыли первый высокотемпературный сверхпроводник — купрат лантана и бария. Уже на следующий год им за это присудили Нобелевскую премию.

Высокотемпературными считаются сверхпроводники при температуре не ниже 77 кельвинов. Это точка кипения жидкого азота, которым в промышленности охлаждают приборы и провода.

График открытия сверхпроводящих соединений с 1900 по 2015 год. Голубыми ромбами отмечены купраты

Сверхпроводниками оказались и другие купраты. Самый известный — BSCCO, или, как его называют физики, "биско" — "сэндвич" из слоев оксидов висмута, стронция, меди и чистого кальция.

С этими материалами связаны уникальные разработки в электротехнике, энергетике, транспорте — системы передачи энергии на огромные расстояния без потерь, бесконтактные высокоскоростные поезда, сверхсильные магниты, используемые в термоядерных реакторах, двигатели для межпланетных космических кораблей.

Элементарная ячейка высокотемпературного купратного сверхпроводника BSCCO

Загадка "странных металлов"

Хотя купраты уже активно применяют — например, десятки километров проводов из BSCCO в Большом адронном коллайдере в ЦЕРН, — ученые до сих пор до конца не разобрались с физическим механизмом их высокотемпературной сверхпроводимости.

Классическая теория БКШ, названная в честь ее авторов — американских физиков Джона Бардина, Леона Купера и Джона Шриффера, хорошо объясняет сверхпроводимость при температуре выше 30 кельвинов, а некоторые купраты сохраняют это качество до 130 кельвинов.

Но и при более высоких температурах, когда сверхпроводимость пропадает, купраты сильно отличаются от обычных металлов. Например, их электрическое сопротивление с понижением температуры падает линейно, а не пропорционально квадрату разницы температур. Это противоречит теории ферми-жидкости, разработанной советским физиком Львом Ландау в 1956 году.

Электроны в металлах при низких температурах ведут себя подобно частицам электронного газа, а взаимодействия между такими квазичастицами — фермионами — описывают уравнения квантовой механики. Теория ферми-жидкости подтверждается для всех металлов, с которыми мы имеем дело в повседневной жизни, но не работает для купратов. Поэтому физики выделили их в отдельную группу "странных металлов".

В отличие от обычных металлов, в которых электроны перемещаются свободно при небольшом количестве взаимодействий и небольшом сопротивлении, в "странных" они передвигаются медленно и на ограниченное расстояние. При этом очень активно рассеивают энергию. "Странные металлы" находятся где-то между классическими металлами и изоляторами, у которых сильно взаимодействующие электроны занимают фиксированные позиции.

В последние годы ученые обнаружили множество "странных металлов", но без сверхпроводимости. Ситуация с купратами стала еще более загадочной.

Физик-теоретик Ян Заанен из Лейденского университета в Нидерландах предположил, что в "странных металлах" нарушается принцип Паули, согласно которому два и более тождественных фермиона не могут одновременно находиться в одном и том же квантовом состоянии. Заанен назвал это "физикой нечастиц", а состояние вещества в высокотемпературных сверхпроводниках — "запутанной сжимаемой квантовой материей". Ученый считает, что в "странных металлах" частицы, с одной стороны, проявляют черты коллективного поведения, а с другой — запутываются друг с другом.

Еще одна гипотеза описывает поведение электронов в "странных металлах" по аналогии с так называемыми изоляторами Мотта — кристаллическими веществами, которые в соответствии с обычной теорией электрической проводимости должны быть проводниками. Их электроны находятся в узлах кристаллической решетки, ровно по одному на узел, а когда появляются дополнительные, изоляторы Мотта сразу превращаются в сверхпроводники.

Сверхпроводящие полуметаллы

Сильное магнитное поле подавляет сверхпроводимость. Ученые из США, Германии и Колумбии во главе с Аркадием Шехтером (США) решили посмотреть, как поведут себя купраты при низких температурах в магнитных полях — станут ли они похожи на обычные металлы, потеряв сверхпроводящие свойства.

Физики подняли напряженность поля до огромных значений в 60-70 тесла, но оказалось, что и в таких условиях сопротивление в зависимости от напряженности магнитного поля, как и от температуры, меняется линейно, а не в соответствии с квадратичным законом, как полагается "нормальным" металлам. То есть они вроде бы и проявляют свойства металлов, но как-то неохотно, вполсилы.

Новое состояние материи

Многие исследователи, в том числе Заанен, считают, что поведение электронов в "странных металлах", еще называемых квантовыми критическими металлами, настолько сложно, что создать его модель под силу только квантовым компьютерам.

"Это потенциально революционный этап в фундаментальной физике, — пишет ученый на своей странице сайта Лейденского университета. — Спустя тридцать лет все больше свидетельств того, что высокотемпературная сверхпроводимость указывает на радикально новую форму материи, которая определяется последствиями квантовой запутанности в макроскопическом мире".

Тем не менее американские физики из Корнельского университета и Института Флэтайрон в Нью-Йорке сообщили, что построили первую цифровую модель "странных металлов", которая подтвердила предположение нидерландского ученого о том, что это новое состояние материи, переходная форма между классическими проводящими металлами и изоляторами.

Исследователи соединили два подхода. С помощью метода квантового встраивания, разработанного в 1990-х в Центре вычислительной квантовой физики Института Флэтайрон, выполнили подробные расчеты для нескольких атомов, а не для всей квантовой системы.

Затем, используя квантовый алгоритм Монте-Карло, который полагается на случайную выборку, создали модель поведения электронов при сверхнизких температурах, вплоть до абсолютного нуля.

В классической модели металлов при низкой кинетической энергии положение электронов становится более фиксированным, и система из так называемого состояния спинового стекла, для которого характерны случайные спиновые взаимодействия, переходит в состояние изолятора. А когда кинетическая энергия высокая, электроны движутся свободно, слабо взаимодействуя, и система переходит в состояние ферми-жидкости.

Диаграмма, показывающая разные состояния вещества в зависимости от температуры (Т) и силы взаимодействия (U), нормированных на количество электронных переходов (t)

Меняя соотношение между кинетической энергией и энергией взаимодействия электронов, ученые довели модельную систему до грани между обычным металлом и изолятором. В этот момент и появились "странные металлы". На диаграмме выявили область между двумя известными фазами, где электроны не полностью заблокированы, но и не полностью свободны.
Теперь предстоит придумать официальное название новому состоянию вещества.