Science: десятилетняя тайна «странных металлов» наконец-то может быть объяснена


Фото из открытых источников
Физики предложили новое решение 37-летней проблемы, почему «странные металлы» проводят электричество необычным образом. Эта универсальная теория как считает физик и соавтор опубликованного в журнале Science исследования Аавишкар Патель, может помочь ученым разработать лучшие сверхпроводники для квантовых компьютеров.
 
Странные металлы ведут себя странным образом, когда через них проходит электричество. При очень низких температурах эти металлы становятся сверхпроводниками, то есть имеют нулевое сопротивление потоку электронов.
 
Сопротивление обычно увеличивается для всех материалов при более высоких температурах, потому что электроны получают больше энергии и чаще сталкиваются друг с другом.
 
Как ни странно, странные металлы даже более устойчивы к потоку электронов, чем обычные металлы, при более высоких температурах, даже несмотря на то, что они являются сверхпроводниками при низких температурах.
 
Когда странный металл нагревается, он достигает критической температуры, при которой сопротивление резко возрастает. За пределами этой точки сопротивление увеличивается пропорционально температуре, что можно представить в виде прямой линии, идущей вверх на графике.
 
Обычные металлы, такие как железо и медь, так себя не ведут. В этих металлах сопротивление увеличивается пропорционально квадрату температуры, что на графике выглядит как слегка плавная кривая.
 
Что вызывает это странное поведение? По словам Пателя, работающего в Институте Флэтайрон в Нью-Йорке, и его коллег из нескольких других университетов США, это сочетание квантовой запутанности и случайности.
 
«По отдельности эти свойства не могут объяснить причуды странных металлов, но вместе «все становится на свои места», — говорит Патель.
 
Запутанность описывает корреляции между частицами, которые придают им своего рода общую идентичность. В таких материалах, как странные металлы, пары запутанных электронов, называемые куперовскими парами, обладают волнообразными свойствами, которые при низких температурах помогают им легче скользить сквозь лес атомов.
 
Однако расположение атомов внутри странных металлов также относительно случайно. Пары Купера, неравномерно распределенные по материалу, с меньшей вероятностью будут течь в одном направлении по мере повышения температуры, из-за чего их импульс случайным образом вызывает дополнительное сопротивление при их столкновении.
 
«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».
 
Странное поведение странных металлов было впервые обнаружено в керамических кристаллах, называемых купратами, в 1986 году. Ученые, синтезировавшие этот материал, физики Георг Беднорц и Алекс Мюллер, были удостоены Нобелевской премии за свои усилия.
 
В то время этот синтетический купрат был самым высокотемпературным сверхпроводником из когда-либо созданных, и это вызвало поиски других материалов с такими свойствами — поиски, которые продолжаются и по сей день.
 
Сегодня у нас есть много сверхпроводящих материалов, но они работают только при экстремально низких температурах, достижимых с использованием громоздких, дорогих материалов и инфраструктуры, что делает их непрактичными для широкомасштабного использования.
 
Сделать странные металлы менее странными может стать важным шагом на пути к созданию высокоэффективных схем без сопротивления, которые будут работать в условиях окружающей среды.
 
«На данный момент я бы назвал их необычными металлами, а не странными», — говорит Патель.