Загадкова фізика про дивних металів 40 років ставить вчених у глухий кут. Проблиски в розумінні питання вже є, але дослідження продовжуються і відкривають нові і нові незрозумілі властивості речовини. Нове дослідження показало, що електричний струм у дивних металах тече з порушенням відомої нам фізики та вчені поки не розуміють, чому це відбувається.

Дивні метали умовно займають проміжне положення між діелектриками та провідниками. У них вже є вільні електрони, здатні переносити електричний заряд (забезпечити перебіг струму), але поки що не стають провідниками у сенсі цього терміну. Почати розуміти природу дивних металів допоміг синтез квантової та класичної фізики. Одночасно він показав, що той самий ефект електричного струму, наприклад, ми розуміли, швидше за все, неправильно.

В основі сучасної теорії електричного струму лежить перенесення заряду квазічастинками, що представлені колективними діями електронів. Дискретна природа електричного струму проявляється у разі так званого дробового шуму, коли струм у мережі проявляється сплесками, а не у вигляді рівномірного перенесення заряду постійної величини. Щоб дізнатися, як струм протікає в дивних металах, вчені створили такі умови, щоб можна було стежити чи не за кожним електроном.

В основі вимірювального стенда лежали нанопровідники зі з’єднання ітербію, родію та кремнію (YbRh₂Si₂) шириною 200 нм і довжиною 600 нм. Це з’єднання відноситься до дивних металів і, як і інші дивні метали, має нетипові властивості поблизу абсолютного нуля. Якби електричний струм протікав через цей матеріал так, як ми уявляємо — дискретно групами корелованих електронів у вигляді квазічастинок, то нічого дивного не сталося б. Проте в ході експерименту вчені переконалися, що струм продовжував текти плавно без властивих дробовому шуму флуктуацій як вода за широким жолобом.

Інакше кажучи, заряд частково передавався начебто без участі електронів, що є неймовірним. Можливо, в металах відбувається те саме, і носієм заряду служить щось інше крім електронів. Безперечно в цьому виявляються квантові ефекти, але яким чином, фізикам ще доведеться пояснити.

Відповідь на це питання допоможе наблизити відкриття надпровідності при звичайній температурі, адже однією з корінних властивостей дивних металів є зовсім відмінна від металів поведінка питомого опору поблизу абсолютного нуля. У металів воно змінюється стрибком від нуля до високого, а у дивних металів замість стрибка воно росте поступово та лінійно. Дотягнути його невеликим до високих температур, і буде всім щастя в енергетиці.

За словами дослідників з Віденського технологічного університету, нещодавно виявлений компроміс у тому, як пристрої відліку часу працюють на фундаментальному рівні, може встановити жорстке обмеження на продуктивність великих квантових комп’ютерів.

Хоча ця проблема не зовсім актуальна, наша здатність розвивати системи, засновані на квантових операціях, із закулісних прототипів у практичні гіганти, що фіксують цифри, залежатиме від того, наскільки добре ми зможемо надійно розчленовувати дні на дедалі дрібніші частини. Дослідники кажуть, що цей подвиг стане дедалі складнішим.

Незалежно від того, чи ви рахуєте секунди за допомогою шепоту Міссісіпі, чи ділите їх за допомогою маятникового коливання електрона в ув’язненні атома, міра часу обмежена межами самої фізики. Одне з цих обмежень стосується роздільної здатності, з якою можна розділити час. Вимірювання будь-якої події, коротше ніж 5,39×10^-44 секунди, наприклад, суперечить теоріям про основні функції Всесвіту. Іншими словами, вони просто не мають сенсу.

Проте ще до того, як ми підійдемо до цієї жорсткої межі в пісках часу, фізики вважають, що нам доведеться заплатити певну суму, яка може перешкодити нам продовжувати вимірювати все менші одиниці. Рано чи пізно кожен годинник заводиться. Маятник сповільнюється, батарея розряджається, атомний лазер потребує скидання. Це не просто інженерне завдання – сам хід часу є ознакою прогресу Всесвіту від високовпорядкованого стану до заплутаного, хаотичного безладу в тому, що називається ентропією.

«Вимірювання часу завжди пов’язане з ентропією», — каже старший автор Маркус Губер, системний інженер, який очолює дослідницьку групу на перетині квантової інформації та квантової термодинаміки у Віденському технологічному університеті.

У своїй нещодавно опублікованій теоремі Хубер і його команда викладають логіку, яка пов’язує ентропію як термодинамічне явище з роздільною здатністю, демонструючи, що якщо у вас під рукою немає нескінченної енергії, ваш швидко цокаючий годинник з часом зіткнеться з проблемами точності.

Або, як каже перший автор дослідження, фізик-теоретик Флоріан Мейєр : «Це означає: або годинник працює швидко, або він працює точно – і те, і інше неможливо одночасно». Це може не бути великою проблемою, якщо ви хочете відрахувати секунди, які не будуть відхилятися протягом життя нашого Всесвіту. Але для таких технологій, як квантові обчислення, які покладаються на темпераментну природу частинок, що ширяють на межі існування, час є головним.

Це не є великою проблемою, коли кількість частинок невелика. У міру того, як їх кількість збільшується, зростає ризик того, що будь-який із них може бути вибитий із квантового критичного стану, залишаючи все менше часу для виконання необхідних обчислень. Багато досліджень було спрямовано на вивчення потенціалу помилок у квантових технологіях, спричинених галасливим, недосконалим Всесвітом. Здається, це перший випадок, коли дослідники розглядають саму фізику хронометражу як потенційну перешкоду.

«Наразі точність квантових комп’ютерів все ще обмежується іншими факторами, наприклад точністю використовуваних компонентів або електромагнітними полями», — говорить Хубер. «Але наші розрахунки також показують, що сьогодні ми недалекі від режиму, в якому фундаментальні межі вимірювання часу відіграють вирішальну роль».

Імовірно, інші досягнення у квантових обчисленнях покращать стабільність, зменшать кількість помилок і «виграють час» для оптимальної роботи збільшених пристроїв. Але чи матиме ентропія останнє слово щодо потужності квантових комп’ютерів, покаже лише час. Джерело