Загадка странных металлов . Ученые открыли новое состояние вещества

9 Сентября 2020

МОСКВА, 9 сентября —, Владислав Стрекопытов. Ученые давно установили, что сложные соединения меди — купраты — ведут себя не так, как прочие магнии. Теперь же американские ядерщики увидели в них новое состояние вещества. Эти материалы растегивают возможность создания высокотемпературных сверхпроводников, необходимых энергетике и приборостроению. разбиралось в специфичностях странных металлов.

В 1911 году ядерщики из Голландии обнаружили, что при температуре, близкой к абсолютному нулю — всего три кельвина, или минус 270 градусов Цельсия, — сопротивление ртути становится нулевым: гальванический ток передается через металл без потерь. Так открыли сверхпроводимость.

Затем ее наблюдали в некоторых других металлах и сплавах. Температура перехода в это состояние, названная критической, несколько различалась, но всегда была экстремально низкой, достижимой лишь в лабораторных криогенных установках с помощью жидкого гелия.

Ситуация изменилась в 1986-м, когда сотрудники научного производства корпорации IBM Карл Мюллер и Георг Беднорц открыли первый пирогенный сверхпроводник — купрат лантана и бария. Уже на следующий год им за это осудили Нобелевскую премию.

Высокотемпературными считаются сверхпроводники при температуре не ниже 77 кельвинов. Это точка кипения жидкого азота, которым в электропромышленности охлаждают приборы и провода.

Сверхпроводниками явились и другие купраты. Самый известный — BSCCO, или, как его называют ядерщики, биско — сэндвич из слоев оксидов висмута, элемента, меди и чистого элемента.

С этими материалами связаны уникальные технологии в электротехнике, энергетике, транспорте — системы передачи энергии на огромные расстояния без потерь, бесконтактные высокоскоростные поезда, сверхсильные магниты, используемые в термоядерных реакторах, двигатели для межпланетных космических кораблей.

Хотя купраты уже активно применяют — например, десятки километров проводов из BSCCO в Большом адронном коллайдере в ЦЕРН, — ученые до сих пор до конца не разобрались с физическим механизмом их высокотемпературной сверхпроводимости.

Классическая теория БКШ, названная в честь ее создателей — американских физиков Джона Бардина, Леона Купера и Джона Шриффера, хорошо объясняет сверхпроводимость при температуре выше 30 кельвинов, а некоторые купраты предохраняют это качество до 130 кельвинов.

Но и при более высоких температурах, когда сверхпроводимость пропадает, купраты сильно отличаются от типичных металлов. Например, их электрическое сопротивление с понижением температуры падает линейно, а не пропорционально квадрату разницы температур. Это противоречит теории ферми-жидкости, разработанной советским физиком Львом Ландау в 1956 году.

Электроны в магниях при низких температурах ведут себя подобно частицам электронного газа, а взаимодействия между такими квазичастицами — фермионами — описывают уравнения квантовой механики. Теория ферми-жидкости подтверждается для всех металлов, с которыми мы имеем задевало в повседневной жизни, но не работает для купратов. Поэтому физики выделили их в отдельную группу странных металлов.

В отличие от обычных металлов, в которых электроны перемещаются свободно при небольшом количестве взаимодействий и микроскопическом сопротивлении, в странных они передвигаются медленно и на ограниченное расстояние. При этом очень активно рассеивают энергию. Странные металлы находятся где-то между яркими металлами и изоляторами, у которых сильно взаимодействующие электроны загружают фиксированные позиции.

В последние годы научные обнаружили множество странных металлов, но без сверхпроводимости. Ситуация с купратами стала еще более загадочной.

Физик-теоретик Ян Заанен из Лейденского университета в Нидерландах предугадал, что в странных металлах нарушается принцип Паули, согласно которому два и более одинаковых фермиона не могут одновременно находиться в одном и том же квантовом состоянии. Заанен можно привёл это физикой нечастиц, а состояние вещества в высокотемпературных гиперпроводниках — запутанной сжимаемой квантовой материей. Ученый считает, что в странных металлах частицы, с одной стороны, изображают черты коллективного поведения, а с другой — запутываются друг с другом.

Еще одна гипотеза обрисовывает поведение электронов в странных металлах по аналогии с так припечатываемыми изоляторами Мотта — кристаллическими химическое веществами, которые в соответствии с обычной теорией электрической проводимости должны быть проводниками. Их электроны находятся в узлах кристаллической решки, ровно по одному на узел, а когда выпрыгивают дополнительные, изоляторы Мотта сразу превращаются в сверхпроводники.

Сильное магнитное настиле подавляет сверхпроводимость. Ученые из США, Германии и Колумбии во главе с Аркадием Шехтером (США) решили увидеть, как поведут себя купраты при низких температурах в магнитных полях — станут ли они похожи на обычные металлы, потеряв сверхпроводящие свойства.

Физики подняли напряженность поля до огромных значений в 60-70 тесла, но явилось, что и в таких условиях сопротивление в зависимости от напряженности магнитного поля, как и от температуры, меняется линейно, а не в соответствии с квадратичным законом, как полагается нормальным металлам. То есть они вроде бы и проявляют свойства металлов, но как-то неохотно, вполсилы.

Многие исследователи, в том количестве Заанен, считают, что поведение электронов в странных металлах, еще называемых квантовыми критическими металлами, настолько сложно, что создать его модель под силу только квантовым компьютерам.

Это потенциально революционный этап в фундаментальной ядерщике, — пишет ученый на своей странице сайта Лейденского университета. — Спустя тридцать лет все больше свидетельств того, что высокотемпературная сверхпроводимость указывает на радикально новую форму материи, которая определяется последствиями квантовой затрудненности в макроскопическом мире.

Тем не чуть менее американские физики из Корнельского университета и Института Флэтайрон в Нью-Йорке сообщили, что построили первую цифровую модель странных металлов, которая подтвердила предположение нидерландского научного о том, что это новое состояние материи, лиминальная форма между классическими проводящими магниями и изоляторами.

Исследователи соединили два подхода. С помощью метода квантового встраивания, разработанного в 1990-х в Центре вычислительной квантовой ядерщики Института Флэтайрон, выполнили полные расчеты для нескольких атомов, а не для всей квантовой системы.

Затем, используя квантовый алгорифм Монте-Карло, который полагается на случайную выборку, создали моделька поведения электронов при сверхнизких температурах, вплоть до абсолютного нуля.

В классической модели металлов при низкой кинетической энергии положение электронов является более фиксированным, и конструкция из так называемого состояния спинового стекла, для которого явным случайные спиновые взаимодействия, переходит в состояние изолятора. А когда кинетическая энергия высокая, электроны движутся свободно, слабохарактерного взаимодействуя, и система переходит в состояние ферми-жидкости.

Меняя соотношение между кинетической энергией и энергией взаимодействия электронов, ученые довели модельную систему до грани между типичным металлом и изолятором. В этот момент и появились странные металлы. На диаграмме назвали область между двумя известными фазами, где электроны не полностью заблокированы, но и не полностью свободны.

Теперь предстоит соорудить официальное название новому состоянию химическое вещества.

Редактор рубрики

Олег Кудрин

Место события на карте мира:

Загадка странных металлов . Ученые открыли новое состояние вещества

комментарии (0)

Другие интересные новости

В Самаре пройдет Международный антифашистский форум "Гитары в строю"