Электричество течет как жидкость в некоторых «странных» металлах

Ученые обнаружили новое поведение электричества в некоторых странных металлах, в которых оно течет как жидкость. Это наблюдение, противоречащее теоретическим моделям течения электричества, ставит под сомнение роль квазичастиц в этих материалах. Исследования в области квантовой физики, в частности, понимание механизмов, лежащих в основе сверхпроводимости, могут получить прямую выгоду от этого открытия.

Странные металлы, такие как YbRh2Si2 (в его так называемой «странной» фазе), давно интригуют ученых из-за их нетипичного электрического сопротивления. В отличие от обычных металлов, их сопротивление линейно увеличивается с ростом температуры, что противоречит общепринятым моделям. Эта особенность привела к глубоким исследованиям, направленным на понимание природы такого электрического поведения.

Недавние эксперименты показали, что, в отличие от обычных металлов, в этих нетипичных металлах электричество может течь так, что это напоминает течение жидкости. Это открытие, опубликованное в журнале Science и ставшее результатом международного сотрудничества, напрямую затрагивает устоявшиеся теории электрических токов и открывает путь к новым исследованиям в области квантовой физики.

Вызов квазичастицам?

Авторы исследования провели эксперименты с нанопроволоками из критического квантового материала с точным соотношением 1-2-2 иттербия, родия и кремния (YbRh2Si2). Этот материал демонстрирует высокую степень квантовой запутанности, что приводит к весьма необычному поведению в зависимости от температуры (известному как «странная фаза»), которое сильно отличается от поведения обычных металлов, таких как серебро или золото.

В частности, авторы сосредоточились на «дробовом шуме» — явлении, отражающем гранулярность потока электрического заряда. В обычном металле этот шум относительно высок, что отражает движение квазичастиц — сущностей, несущих электрический заряд.

Однако в случае странной фазы дробовой шум удивительно мал, что говорит о значительном уменьшении гранулярности потока заряда. Из этого наблюдения следует, что, в отличие от обычных металлов, квазичастицы не могут быть главными участниками переноса электричества в странных металлах. Вместо этого электричество, похоже, течет более непрерывно и однородно, напоминая поведение жидкости.

Текучесть движения электрических зарядов в странных металлах ставит под сомнение существующие модели, основанные на квазичастицах. Дуг Нательсон из Университета Райса, один из авторов исследования, поясняет в пресс-релизе: «Шумы значительно подавлены по сравнению с обычными проводниками. Это может быть доказательством того, что квазичастицы не являются четко определенными вещами или что их просто нет, и что заряды движутся более сложным образом. Нам нужно найти правильный словарь, чтобы говорить о том, как заряды могут эволюционировать коллективно».

По словам Нателсона, самый большой вопрос заключается в том, может ли подобное поведение наблюдаться в любом или всех десятках других соединений, демонстрирующих странное металлическое поведение.

На пути к новому пониманию материалов и электричества

Полученные результаты подтверждают смелую теорию, сформулированную более двух десятилетий назад Цимяо Си, одним из соавторов настоящего исследования. Последний предположил, что в некоторых материалах, особенно приближенных к абсолютному нулю (-273,15 °C), поведение электронов претерпевает радикальную трансформацию. При таких экстремально низких температурах электроны, по мнению Си, перестают проявлять характеристики, необходимые для формирования квазичастиц — концепции, имеющей центральное значение для понимания электрического переноса в металлах.

Квазичастицы — это образования, возникающие в результате коллективного взаимодействия электронов в материале. Они рассматриваются как отдельные частицы и, согласно нашим современным знаниям, необходимы для объяснения того, как электроны перемещаются и проводят ток в обычных металлах. Однако теория Си постулирует, что в условиях температуры, близкой к абсолютному нулю, взаимодействия между электронами становятся настолько сильными и сложными, что препятствуют образованию этих квазичастиц. Другими словами, электроны больше не ведут себя как независимые сущности, а скорее как сильно коррелированный коллектив.

Этот теоретический подход, подкрепленный недавними открытиями в странных металлах, может радикально изменить наше понимание физики этих материалов. Он предполагает, что электрические свойства этих металлов не могут быть полностью объяснены классическими моделями, основанными на квазичастицах. Вместо этого нам необходимо рассмотреть модели, в которых электроны взаимодействуют гораздо более сложным и коллективным образом, что может объяснить необычное электрическое поведение, например, «жидкий» электрический поток.

Эти результаты могут не только углубить наше нынешнее рудиментарное понимание странных металлов, но и повлиять на подход к другим квантовым явлениям, особенно в области сверхпроводимости и передовых квантовых технологий.