«Странный металл» может привести к глубокому пониманию — новое открытие

Используя материал под названием оксид иттрия-бария-меди с крошечными отверстиями, исследователи обнаружили странное поведение металла в системе, где носителями заряда являются бозоны, чего раньше никогда не наблюдалось.

Понимание этих так называемых «странных металлов» может дать фундаментальное представление о квантовом мире и потенциально помочь ученым понять странные явления, такие как высокотемпературная сверхпроводимость.

Теперь исследовательская группа под руководством физика из Университета Брауна добавила новое открытие к странной смеси металлов. В исследовании, опубликованном в журнале Nature, команда обнаружила странное поведение металла в материале, в котором электрический заряд переносится не электронами, а более «волнообразными» объектами, называемыми куперовскими парами.

В то время как электроны принадлежат к классу частиц, называемых фермионами, куперовские пары действуют как бозоны, которые следуют совсем другим правилам, чем фермионы. Это первый раз, когда в бозонной системе наблюдается странное поведение металлов, и исследователи надеются, что это открытие может помочь найти объяснение того, как работают странные металлы — то, что ускользало от ученых на протяжении десятилетий.

«У нас есть эти два принципиально разных типа частиц, поведение которых сходятся вокруг загадки», — сказал Джим Валлес, профессор физики в Брауновском университете и автор исследования. «Это говорит о том, что любая теория, объясняющая странное поведение металлов, не может быть специфичной ни для одного из типов частиц. Это должно быть более фундаментально».

Странные металлы

Странное поведение металлов было впервые обнаружено около 30 лет назад в классе материалов, называемых купратами. Эти материалы на основе оксида меди наиболее известны как высокотемпературные сверхпроводники, то есть они проводят электричество с нулевым сопротивлением при температурах, намного превышающих температуру обычных сверхпроводников. Но даже при температурах выше критической для сверхпроводимости купраты ведут себя странно по сравнению с другими металлами.

С повышением их температуры сопротивление купратов возрастает строго линейно. В нормальных металлах сопротивление увеличивается лишь до определенного предела, становясь постоянным при высоких температурах в соответствии с так называемой теорией ферми-жидкости. Сопротивление возникает, когда электроны, протекающие в металле, сталкиваются с вибрирующей атомной структурой металла, заставляя их рассеиваться. Теория ферми-жидкости устанавливает максимальную скорость, при которой может происходить рассеяние электронов. Но странные металлы не подчиняются законам ферми-жидкости, и никто точно не знает, как они работают. Что действительно известно ученым, так это то, что соотношение температуры и сопротивления в странных металлах, по-видимому, связано с двумя фундаментальными константами природы: постоянной Больцмана, которая представляет энергию, производимую случайным тепловым движением, и постоянной Планка, которая связана с энергией фотона. (частица света).

«Чтобы попытаться понять, что происходит в этих странных металлах, люди применили математические подходы, подобные тем, которые используются для понимания черных дыр», — сказал Валлес. «Значит, в этих материалах происходит очень фундаментальная физика».

Бозоны и фермионы

В последние годы Валлес и его коллеги изучали электрическую активность, в которой носителями заряда не являются электроны. В 1952 году лауреат Нобелевской премии Леон Купер, ныне почетный профессор физики Брауна, обнаружил, что в обычных сверхпроводниках (а не в высокотемпературных сверхпроводниках, открытых позже) электроны объединяются, образуя куперовские пары, которые могут скользить сквозь атомную решетку без сопротивления. . Несмотря на то, что они образованы двумя электронами, которые являются фермионами, куперовские пары могут действовать как бозоны.

«Фермионные и бозонные системы обычно ведут себя по-разному, — сказал Валлес. «В отличие от отдельных фермионов, бозонам разрешено иметь 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, то есть они могут проводить электричество с некоторым сопротивлением. По словам исследователей, это само по себе было неожиданным открытием, потому что элементы квантовой теории предполагали, что это явление невозможно. Для этого последнего исследования команда хотела увидеть, являются ли бозонные металлы куперовской пары также странными металлами.

Команда использовала купратный материал, называемый оксидом иттрия-бария-меди, с крошечными отверстиями, которые создают металлическое состояние куперовской пары. Команда охладила материал чуть выше его температуры сверхпроводимости, чтобы наблюдать за изменениями его проводимости. Они обнаружили, подобно фермионным странным металлам, металлическую проводимость куперовской пары, линейную с температурой.

Исследователи говорят, что это новое открытие даст теоретикам что-то новое, что они смогут понять, пытаясь понять странное поведение металлов.

«Теоретикам было сложно найти объяснение тому, что мы видим в странных металлах», — сказал Валлес. «Наша работа показывает, что если вы собираетесь моделировать перенос заряда в странных металлах, эта модель должна применяться как к фермионам, так и к бозонам, даже несмотря на то, что эти типы частиц подчиняются принципиально разным правилам».

В конечном счете, теория странных металлов может иметь огромное значение. Странное поведение металла может стать ключом к пониманию высокотемпературной сверхпроводимости, которая имеет огромный потенциал для таких вещей, как электрические сети без потерь и квантовые компьютеры. А поскольку странное поведение металлов, по-видимому, связано с фундаментальными константами Вселенной, понимание их поведения может пролить свет на основные истины о том, как устроен физический мир.