|
Механизм, объясняющий свойства странных металлов
|
|
|
|
В течение почти 40 лет материалы, называемые «странными металлами», сбивали с толку квантовых физиков, не поддаваясь объяснению, действуя вне обычных правил электричества. Теперь исследования под руководством Аавишкара Пателя из Центра вычислительной квантовой физики Института Флэтайрона (CCQ) в Нью-Йорке наконец определили механизм, который объясняет характерные свойства странных металлов. В выпуске журнала Science от 18 августа Патель и его коллеги представляют свою универсальную теорию того, почему странные металлы такие странные, — решение одной из величайших нерешенных проблем в физике конденсированного состояния. Странное поведение металлов обнаруживается во многих квантовых материалах, в том числе в некоторых, которые при небольших изменениях могут стать сверхпроводниками (материалами, в которых электроны текут с нулевым сопротивлением при достаточно низких температурах). Эта взаимосвязь предполагает, что понимание странных металлов может помочь исследователям определить новые виды сверхпроводимости.
|
|
|
|
Удивительно простая новая теория объясняет многие странности странных металлов, например, почему изменение удельного электрического сопротивления — мера того, насколько легко электроны могут течь через материал в виде электрического тока — прямо пропорционально температуре, даже при очень низких температурах. Это соотношение означает, что странный металл сопротивляется потоку электронов больше, чем обычный металл, такой как золото или медь, при той же температуре. Новая теория основана на сочетании двух свойств странных металлов. Во-первых, их электроны могут быть квантово-механически запутаны друг с другом, связывая их судьбы, и они остаются запутанными, даже если они находятся далеко друг от друга. Во-вторых, странные металлы имеют неоднородное, лоскутное расположение атомов. Ни одно из этих свойств само по себе не объясняет странности странных металлов, но, взятые вместе, «все становится на свои места», — говорит Патель, научный сотрудник Flatiron Research в CCQ.
|
|
|
Неравномерность расположения атомов странного металла означает, что запутывания электронов различаются в зависимости от того, где в материале произошло запутывание. Это разнообразие добавляет хаотичности импульсу электронов, когда они движутся через материал и взаимодействуют друг с другом. Вместо того, чтобы течь все вместе, электроны толкают друг друга во всех направлениях, что приводит к электрическому сопротивлению. Поскольку электроны сталкиваются тем чаще, чем горячее становится материал, электрическое сопротивление растет вместе с температурой. «Эта игра запутанности и неоднородности — новый эффект, который никогда раньше не рассматривался ни для одного материала», — говорит Патель. «Оглядываясь назад, это чрезвычайно простая вещь. Долгое время люди делали всю эту историю со странными металлами излишне сложной, и это было просто неправильно».
|
|
|
|
Патель говорит, что лучшее понимание странных металлов может помочь физикам разработать и настроить новые сверхпроводники для таких приложений, как квантовые компьютеры. «Бывают случаи, когда что-то хочет стать сверхпроводящим, но не делает этого, потому что сверхпроводимость блокируется другим конкурирующим состоянием», — говорит он. «Тогда можно спросить, может ли присутствие этих неоднородностей разрушить эти другие состояния, с которыми конкурирует сверхпроводимость, и оставить дорогу сверхпроводимости открытой». Теперь, когда странные металлы стали немного менее странными, название может показаться менее подходящим, чем раньше. «На данный момент я бы назвал их необычными металлами, а не странными», — говорит Патель. Патель стал соавтором нового исследования вместе с Хаоюй Го, Ильей Эстерлис и Субир Сачдев из Гарвардского университета.
|
|
|
|
Источник
|
