Открытие нового «странного металла», обладающего квантовыми свойствами черных дыр

Для большинства распространенных металлов, таких как медь или серебро, удельное электрическое сопротивление линейно увеличивается с температурой. Но некоторые особые металлы, в частности высокотемпературные сверхпроводники, ведут себя иначе. Эти «странные металлы» интриговали ученых на протяжении многих лет. Поскольку они имеют общие фундаментальные квантовые характеристики с черными дырами, эти металлы могут улучшить наше понимание квантового мира. Новое исследование может дать лучшее понимание того, как они работают.

Поведение странных металлов было обнаружено около 30 лет назад в классе материалов, называемых купратами — материалами на основе оксида меди, известными как высокотемпературные сверхпроводники. Поскольку это явление еще не до конца изучено, их относят к так называемым нетрадиционным сверхпроводникам. И не зря: даже выше критической температуры сверхпроводимости купраты ведут себя нетипично по сравнению с другими металлами.

В стандартном металле при повышении температуры плотность электронов проводимости остается постоянной, но тепловое возбуждение увеличивает частоту столкновений с атомной структурой металла, что приводит к их рассеиванию. В результате удельное сопротивление металла увеличивается с ростом температуры. Но она увеличивается только до определенного момента, а затем становится постоянной при высоких температурах — как и предсказывает теория жидкости Ферми, которая устанавливает максимальную скорость, с которой может происходить рассеяние электронов. В случае купратов удельное сопротивление увеличивается строго линейно с температурой. Теперь исследователи открыли новую грань этих странных металлов.

В 1952 году нобелевский лауреат Леон Купер — ныне заслуженный профессор физики в Университете Брауна — обнаружил, что в стандартных сверхпроводниках электроны объединяются в пары Купера, которые могут «скользить» по атомной решетке без какого-либо сопротивления. Пара Купера относится к электронам, связанным вместе при низких температурах; электроны являются фермионами (они имеют спин 1/2), но пары Купера являются бозонами (с целым спином) и поэтому ведут себя совершенно по-разному.

«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 волнах«, — объясняет Джим Валлес, профессор физики в Брауне и соавтор исследования, в своем заявлении. В предыдущих исследованиях он и его коллеги показали, что парные бозоны Купера могут проявлять металлическое поведение, что означает, что они могут проводить электричество с некоторым сопротивлением — то, что, согласно квантовой теории, невозможно.

Поэтому Валлес и его коллеги попытались определить, являются ли парные бозоны Купера также странными металлами. Для этого они использовали купрат иттрий-барий-медный оксид (YBa2Cu3O7), который имеет крошечные отверстия, вызывающие образование пар Купера. Они нагревали и затем охлаждали этот материал чуть выше его сверхпроводящей температуры, чтобы наблюдать за изменениями в его проводимости.

Результат: как и странные фермионные металлы, материал показал линейное сопротивление как функцию температуры и магнитного поля в широком диапазоне температур и магнитных полей. Это первый случай, когда подобное поведение наблюдалось в бозонической системе. «Расширяя рамки феноменологии странных металлов на бозоновую систему, наши результаты позволяют предположить, что существует фундаментальный принцип, управляющий их переносом, который выходит за рамки статистики частиц«, — отмечают авторы исследования.

Как объяснялось выше, похоже, что странные металлы не следуют жидкостной теории Ферми, но ученые пока не смогли объяснить, как они работают. Однако связь между их удельным сопротивлением и температурой, по-видимому, связана с двумя фундаментальными константами: постоянной Больцмана, которая представляет собой энергию, выделяемую при случайном тепловом движении, и постоянной Планка, коэффициентом пропорциональности, связывающим энергию фотона с его частотой.

Таким образом, это новое открытие открывает новые возможности для изучения поведения странных металлов. «Если мы хотим смоделировать перенос зарядов 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«, — резюмирует Валлес.

Теория странных металлов может дать фундаментальную информацию для понимания таких явлений, как высокотемпературная сверхпроводимость, которая затем может быть использована для разработки электросетей без потерь. А поскольку их поведение основано на фундаментальных константах Вселенной, оно может пролить свет на многие другие грани физического мира.