"Странные металлы" могут пролить свет на то, как устроен физический 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.