Квантове явище: електрони повільно зникають під час охолодження

При охолодженні нижче певної критичної температури багато речовин змінюють свої властивості. Наприклад, такий фазовий перехід відбувається, коли вода замерзає. Однак у деяких металах існують фазові переходи, яких немає в макросвіті. Вони виникають через спеціальні закони квантової механіки, які застосовуються до найдрібніших будівельних блоків природи. Вважається, що концепція електронів як носіїв квантованого електричного заряду більше не застосовується поблизу цих екзотичних фазових переходів.

Тепер вчені знайшли спосіб довести це прямо. Їхні відкриття дозволяють по-новому зазирнути в екзотичний світ квантової фізики. Публікація дослідників Боннського університету та ETH Zurich опублікована в журналі Nature Physics.

Розуміння фазових переходів

Якщо охолодити воду нижче нуля градусів за Цельсієм (32 градуси за Фаренгейтом ), вона твердне в лід. При цьому він різко змінює свої властивості. Як лід, наприклад, він має набагато меншу щільність, ніж у рідкому стані. Ось чому крижинки та айсберги плавають. У фізиці це називається фазовим переходом.

Але існують також фазові переходи, при яких характерні властивості речовини змінюються поступово. Якщо, наприклад, залізний магніт нагріти до 760 градусів за Цельсієм (1400 градусів за Фаренгейтом), він втрачає свою привабливість для інших шматків металу – тоді він стає не феромагнітним, а парамагнітним. Однак це відбувається не раптово, а постійно: атоми заліза поводяться як крихітні магніти

При низьких температурах вони орієнтовані паралельно один одному. При нагріванні вони все більше і більше коливаються навколо цього положення спокою, доки вони не вирівняються абсолютно випадковим чином, і матеріал повністю втратить свій магнетизм. Отже, поки метал нагрівається, він може бути як феромагнітним, так і парамагнітним.

Частинки матерії не можуть бути знищені

Таким чином, фазовий перехід відбувається, так би мовити, поступово, доки, нарешті, все залізо не стане парамагнітним. По дорозі перехід все більше сповільнюється. Така поведінка характерна для всіх безперервних фазових переходів.

«Ми називаємо це «критичним уповільненням», — пояснює професор д-р Ханс Кроха з Центру теоретичної фізики Бете при Боннському університеті. «Причина в тому, що з безперервними переходами дві фази енергетично зближуються все ближче».

Це схоже на розміщення м’яча на рампі: потім він котиться вниз, але чим менша різниця у висоті, тим повільніше він котиться. Коли залізо нагрівається, різниця в енергіях між фазами зменшується все більше і більше, частково через те, що намагніченість поступово зникає під час переходу.

Таке «уповільнення» характерне для фазових переходів на основі збудження бозонів. Бозони — це частинки, які «генерують» взаємодії (на цьому, наприклад, заснований магнетизм). Матерія, з іншого боку, складається не з бозонів, а з ферміонів. Електрони, наприклад, належать до ферміонів.

Фазові переходи засновані на тому, що частинки (або також викликані ними явища) зникають. Це означає, що магнетизм заліза стає все меншим і меншим, оскільки менше атомів розташовано паралельно. «Однак ферміони не можуть бути знищені через фундаментальні закони природи і тому не можуть зникнути», — пояснює Кроха. «Ось чому зазвичай вони ніколи не беруть участь у фазових переходах».

Електрони перетворюються на квазічастинки

Електрони можуть бути зв’язані в атомах; тоді вони мають фіксоване місце, яке вони не можуть залишити. З іншого боку, деякі електрони в металах вільно рухливі, тому ці метали також можуть проводити електрику. У деяких екзотичних квантових матеріалах обидва різновиди електронів можуть утворювати стан суперпозиції. Це створює так звані квазічастинки. У певному сенсі вони нерухомі й рухливі водночас – властивість, яка можлива лише у квантовому світі.

Ці квазічастинки, на відміну від «звичайних» електронів, можуть бути зруйновані під час фазового переходу. Це означає, що там також можна спостерігати властивості безперервного фазового переходу, зокрема критичне сповільнення.

Досі цей ефект можна було спостерігати лише побічно в експериментах. Дослідники на чолі з фізиком-теоретиком Хансом Крохою та експериментальною групою Манфреда Фібіга з ETH Zurich розробили новий метод, який дозволяє безпосередньо ідентифікувати колапс квазічастинок при фазовому переході, зокрема пов’язане з цим критичне уповільнення.

«Це дозволило нам вперше прямо продемонструвати, що таке уповільнення також може відбуватися у ферміонах», — каже Кроха, який також є членом трансдисциплінарного дослідницького напряму «Матерія» Боннського університету та Кластеру передового досвіду «Матерія і світло для квантових обчислень» Німецького дослідницького фонду. Результат сприяє кращому розумінню фазових переходів у квантовому світі. У довгостроковій перспективі результати також можуть бути корисними для застосування у квантових інформаційних технологіях. Джерело