Вчені ідентифікували механізм, який пояснює характерні властивості «дивних металів»

Протягом майже 40 років матеріали під назвою «дивні метали» збентежили квантових фізиків, не піддаючись поясненню, діючи за межами нормальних правил електрики. Тепер дослідження під керівництвом Аавішкара Пателя з Центру обчислювальної квантової фізики Інституту Флатайрона (CCQ) у Нью-Йорку нарешті виявили механізм, який пояснює характерні властивості дивних металів.

У випуску журналу Science за 18 серпня Пател та його колеги представляють свою універсальну теорію того, чому дивні метали такі дивні, — рішення однієї з найбільших невирішених проблем у фізиці конденсованого середовища.

Дивна поведінка металу спостерігається в багатьох квантових матеріалах, у тому числі в тих, які за невеликих змін можуть стати надпровідниками (матеріали, у яких електрони течуть з нульовим опором за досить низьких температур). Цей зв’язок свідчить про те, що розуміння дивних металів може допомогти дослідникам ідентифікувати нові види надпровідності.

Ця напрочуд проста нова теорія пояснює багато дивацтв про дивні метали, наприклад, чому зміна питомого електричного опору — міра того, наскільки легко електрони можуть протікати через матеріал у вигляді електричного струму — прямо пропорційна температурі, навіть аж до надзвичайно низьких температур. Це співвідношення означає, що дивний метал чинить опір потоку електронів більше, ніж звичайний метал, наприклад золото або мідь, за тієї самої температури.

Нова теорія заснована на поєднанні двох властивостей дивних металів. По-перше, їхні електрони можуть стати квантово-механічним способом зв’язаними один з одним, пов’язуючи їхню долю, і вони залишаються заплутаними, навіть коли вони віддалені. По-друге, дивні метали мають неоднорідне розташування атомів, подібне до клаптиків.

Жодна властивість сама по собі не пояснює дивацтва дивних металів, але разом узяті «все стає на свої місця», — каже Патель, який працює науковим співробітником Flatiron у CCQ.

Нерегулярність атомної структури дивного металу означає, що заплутаність електронів змінюється залежно від того, де в матеріалі відбулося заплутування. Цей різновид додає випадковості імпульсу електронів, коли вони рухаються крізь матеріал і взаємодіють один з одним. Замість того, щоб текти разом, електрони стукають один об одного в усіх напрямках, що призводить до електричного опору. Оскільки електрони стикаються частіше, чим гарячішим стає матеріал, електричний опір зростає разом із температурою.

«Ця взаємодія заплутаності та нерівномірності є новим ефектом; він ніколи раніше не розглядався для жодного матеріалу», — каже Патель. «Озираючись назад, це надзвичайно проста річ. Довгий час люди надто ускладнювали всю історію дивних металів, і це було просто неправильно».

Патель каже, що краще розуміння дивних металів може допомогти фізикам розробити та налаштувати нові надпровідники для таких програм, як квантові комп’ютери.

«Існують випадки, коли щось хоче стати надпровідним, але не зовсім цього робить, оскільки надпровідність блокується іншим конкуруючим станом», — каже він. «Тоді можна запитати, чи може присутність цих неоднорідностей знищити ці інші стани, з якими конкурує надпровідність, і залишити відкритим шлях для надпровідності».

Тепер, коли дивні метали стали трохи менш дивними, ця назва може здаватися менш підходящою, ніж раніше. «Наразі я хотів би назвати їх незвичайними металами, а не дивними», — каже Патель. Джерело