Блог

Jan 12, 2024

Ученые определили механизм, объясняющий характерные свойства «странных металлов»

17 августа 2023 г. Эта статья была проверена в соответствии с редакционным процессом и политикой Science X. Редакторы выделили следующие атрибуты, гарантируя при этом достоверность контента:

17 августа 2023 г.

Эта статья была проверена в соответствии с редакционным процессом и политикой Science X. Редакторы выделили следующие атрибуты, гарантируя при этом достоверность контента:

проверенный фактами

рецензируемое издание

корректура

от Фонда Саймонса

На протяжении почти 40 лет материалы, называемые «странными металлами», сбивали с толку квантовых физиков, игнорируя объяснения, поскольку действуют за пределами обычных правил электричества.

Теперь исследования, проведенные Аавишкаром Пателем из Центра вычислительной квантовой физики (CCQ) Института Флэтайрон в Нью-Йорке, наконец-то выявили механизм, объясняющий 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 обнаружено во многих квантовых материалах, включая такие, которые при небольших изменениях могут стать сверхпроводниками (материалами, в которых электроны текут с нулевым сопротивлением при достаточно низких температурах). Эта связь предполагает, что понимание странных металлов может помочь исследователям выявить новые виды сверхпроводимости.

Удивительно простая новая теория объясняет многие странности, связанные со странными металлами, например, почему изменение удельного электрического сопротивления (показатель того, насколько легко электроны могут проходить через материал в виде электрического тока) прямо пропорционально температуре, вплоть до чрезвычайно низких температур. 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 квантово-механически запутаться друг с другом, связав свою судьбу, и они остаются запутанными, даже когда находятся на расстоянии друг от друга. Во-вторых, странные металлы имеют неоднородное, лоскутное расположение атомов.

Ни одно свойство само по себе не объясняет странностей странных металлов, но вместе взятое «все просто становится на свои места», говорит Патель, который работает научным сотрудником Flatiron в CCQ.

Неравномерность атомного расположения странного металла означает, что запутывание электронов варьируется в зависимости от того, в каком месте материала оно произошло. Это разнообразие добавляет случайности импульсу электронов, когда они движутся через материал и взаимодействуют друг с другом. Вместо того, чтобы стекать вместе, электроны сбивают друг друга во всех направлениях, что приводит к возникновению электрического сопротивления. Поскольку электроны сталкиваются тем чаще, чем горячее становится материал, электрическое сопротивление возрастает вместе с температурой.

«Это взаимодействие запутанности и неоднородности — новый эффект; оно никогда раньше не рассматривалось ни для одного материала», — говорит Патель. «Оглядываясь назад, можно сказать, что это чрезвычайно простая вещь. Долгое время люди излишне усложняли всю эту историю о странных металлах, 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 было бы задаться вопросом, может ли наличие этих неоднородностей разрушить другие состояния, с которыми конкурирует сверхпроводимость, и оставить открытой дорогу для сверхпроводимости».

Теперь, когда странные металлы стали менее странными, это название может показаться менее подходящим, чем раньше. «На данный момент мне бы хотелось назвать их необычными металлами, а не странными», — говорит Патель.