Вчені знайшли пояснення «дивним металам», які 40 років ставили науку в глухий кут

Джерело зображення: Lucy Reading-Ikkanda/Simons Foundation

Комплексне обґрунтування теорії поведінки дивних металів — металів, які не підкоряються теорії фермі-рідини, — зробили керівник проекту Аавішкар Патель з Центру обчислювальної квантової фізики (CCQ) Flatiron Institute в Нью-Йорку та фізики Хаоя Гуо, Іль Сачдєв з Гарвардського університету. Як мінімум, вчені довели ряд характерних властивостей «дивних металів». Струнка теорія може допомогти відповісти на питання про досягнення надпровідності при високих температурах і допомогти в розробці квантових комп'ютерів. Квантова механіка стала тим інструментом, який допоміг розібратися у питанні.

Нова теорія спирається на дві ключові властивості дивних металів. По-перше, електрони в таких металах можуть заплутуватись один з одним — переходити в абсолютно ідентичні квантові стани — і залишатися в такому стані навіть при видаленні на значні відстані один від одного. По-друге, дивні метали мають неоднорідне, схоже на клаптикове розташування атомів.

"Жодна з цих властивостей окремо не пояснює дива "дивних металів", але в сукупності все стає на свої місця", - пояснив глава проекту.

Нерівномірність атомної структури дивного металу означає, що заплутаність електронів залежить від цього, де матеріалу вона відбулася. Така різноманітність вносить хаотичність в імпульс електронів при їх русі через матеріал та взаємодії один з одним. Замість того, щоб текти разом, електрони стикаються один з одним у всіх напрямках, що призводить до електричного опору. Оскільки електрони стикаються тим частіше, чим гарячий матеріал, електричний опір зростає разом із температурою, що й спостерігається на практиці. Там, де у звичайних металів відбувається стрибок при переході від надпровідності до різкого збільшення опору, дивні метали продовжують пропускати струм з плавним збільшенням опору струму.

Ключовим у новій теорії стало те, що фізики об'єднали два явища — заплутаність та неоднорідність, що раніше не розглядалося для одного матеріалу, а окремо це не призводить до дивної поведінки металів. Тим самим вчені пропонують механізм корекції умов надпровідності в дивних металах. Штучно створені неоднорідності можуть відтворити надпровідність у потрібному місці із заданими цілями, що може знайти застосування, наприклад, у квантових обчислювачах. Коли ви можете на щось впливати, це може призвести до бажаного результату.

Бувають випадки, коли щось хоче перейти в надпровідний стан, але не може цього зробити, оскільки надпровідність блокується іншим конкуруючим станом, — каже Патель. — Тоді можна запитати себе, чи не може присутність цих неоднорідностей зруйнувати ці інші стани, з якими конкурує надпровідність, і залишити дорогу для надпровідності відкритою».

Джерело зображення: Lucy Reading-Ikkanda/Simons Foundation

Комплексне обґрунтування теорії поведінки дивних металів — металів, які не підкоряються теорії фермі-рідини, — зробили керівник проекту Аавішкар Патель з Центру обчислювальної квантової фізики (CCQ) Flatiron Institute в Нью-Йорку та фізики Хаоя Гуо, Іль Сачдєв з Гарвардського університету. Як мінімум, вчені довели ряд характерних властивостей «дивних металів». Струнка теорія може допомогти відповісти на питання про досягнення надпровідності при високих температурах і допомогти в розробці квантових комп'ютерів. Квантова механіка стала тим інструментом, який допоміг розібратися у питанні.

Нова теорія спирається на дві ключові властивості дивних металів. По-перше, електрони в таких металах можуть заплутуватись один з одним — переходити в абсолютно ідентичні квантові стани — і залишатися в такому стані навіть при видаленні на значні відстані один від одного. По-друге, дивні метали мають неоднорідне, схоже на клаптикове розташування атомів.

"Жодна з цих властивостей окремо не пояснює дива "дивних металів", але в сукупності все стає на свої місця", - пояснив глава проекту.

Нерівномірність атомної структури дивного металу означає, що заплутаність електронів залежить від цього, де матеріалу вона відбулася. Така різноманітність вносить хаотичність в імпульс електронів при їх русі через матеріал та взаємодії один з одним. Замість того, щоб текти разом, електрони стикаються один з одним у всіх напрямках, що призводить до електричного опору. Оскільки електрони стикаються тим частіше, чим гарячий матеріал, електричний опір зростає разом із температурою, що й спостерігається на практиці. Там, де у звичайних металів відбувається стрибок при переході від надпровідності до різкого збільшення опору, дивні метали продовжують пропускати струм з плавним збільшенням опору струму.

Ключовим у новій теорії стало те, що фізики об'єднали два явища — заплутаність та неоднорідність, що раніше не розглядалося для одного матеріалу, а окремо це не призводить до дивної поведінки металів. Тим самим вчені пропонують механізм корекції умов надпровідності в дивних металах. Штучно створені неоднорідності можуть відтворити надпровідність у потрібному місці із заданими цілями, що може знайти застосування, наприклад, у квантових обчислювачах. Коли ви можете на щось впливати, це може призвести до бажаного результату.

Бувають випадки, коли щось хоче перейти в надпровідний стан, але не може цього зробити, оскільки надпровідність блокується іншим конкуруючим станом, — каже Патель. — Тоді можна запитати себе, чи не може присутність цих неоднорідностей зруйнувати ці інші стани, з якими конкурує надпровідність, і залишити дорогу для надпровідності відкритою».