Ново откритие може да помогне на учените да разберат „странните метали“, клас материали, които са свързани с високотемпературни свръхпроводници и споделят фундаментални квантови свойства с черните дупки.
Учените разбират доста добре как температурата влияе на електрическата проводимост в повечето често използвани метали като мед или сребро. Но през последните години изследователите насочват вниманието си към клас материали, които изглежда не следват традиционните правила на електричеството. Разбирането на тези така наречени „странни метали“ би могло да даде фундаментални прозрения за квантовия свят и потенциално да помогне на учените да разберат странни явления като високотемпературната свръхпроводимост.
Сега изследователски екип, ръководен съвместно от физик от Университета Браун, добавя ново откритие към странната група на странните метали. В изследване, публикувано в списание Nature, екипът открива странно поведение на метала в материал, в който електрическият заряд се носи не от електрони, а от по-„вълнови“ образувания, наречени двойки на Купър или купърови двойки.
Според Стандартния модел, господстващ модел, описващ елементарните частици, съществуват два основни типа частици: бозони и фермиони. Бозоните имат целочислен спин (0, 1, 2 ...), когато са елементарни частици, те са носители на взаимодействията, а фермионите изграждат материята. Последните са елементарни частици с полуцял спин (½, 1½,...), например фермиони са електронът, кварките, които пък в тройки образуват частиците на ядрото на атома - неутроните и протоните.
Електроните принадлежат към фермионите, купъровите двойки действат като бозони, които следват много различни правила от фермионите. Сега за първи път се наблюдава странно поведение на металите в бозонна система и изследователите се надяват, че откритието може да бъде полезно за намирането на обяснение за това как работят странните метали - нещо, което убягва на учените от десетилетия.
Използвайки материал, наречен итриев бариев меден оксид, перфориран с подредени малки дупки, изследователите откриват поведението на "странния метал" в тип система, в която носителите на заряд са бозони, нещо, което никога не е виждано преди. Кредит: Brown University
„Имаме тези два фундаментално различни типа частици, чието поведение е почти загадка“, обяснява Джим Валес (Jim Valles), професор по физика в Университета Браун и водещ автор на изследването. „Това означава, че всяка теория, обясняваща странното поведение на метала, не може да бъде специфична за нито един от видовете частици. Трябва да е по-фундаментална."
Странни метали
Странното поведение на метала е открито за първи път преди около 30 години в клас материали, наречени купрати. Тези медно-оксидни материали са най-известни с това, че са високотемпературни свръхпроводници, което означава, че провеждат електричество с нулево съпротивление при температури, далеч над тези на нормалните свръхпроводници. Но дори при температури над критичната температура за свръхпроводимост, купратите действат странно в сравнение с други метали.
С повишаването на температурата им, съпротивлението на купратите се увеличава по строго линеен начин. При нормалните метали съпротивлението нараства само до определена степен като става постоянно при високи температури в съответствие с т. нар теория на Ферми-течностите (известна още като теория на Ландау-Ферми).
*Теорията обяснява защо някои от свойствата на взаимодействащите фермионни системи са много сходни с тези на идеалния Ферми газ (т.е. невзаимодействащи фермиони) и защо другите свойства се различават. Примери за успешно прилагане на теорията на Ферми-течностите са най-вече електроните в повечето метали (не свръхпроводящи) и течния хелий -3. Течният хелий-3 е ферми-течност при ниски температури (но не достатъчно ниска, за да бъде в неговата свръхфлуидна фаза)
Съпротивлението възниква, когато електроните, протичащи в метала, се сблъскват с вибриращата атомна структура на метала, което ги кара да се разсейват. Теорията на ферми-течността определя максимална скорост, при която може да се случи разсейването на електроните.
Но странните метали не следват правилата на Ферми-течността и никой не е сигурен как работят. Това, което учените знаят е, че връзката между температурата и съпротивлението в странните метали изглежда е свързана с две основни константи на природата: константата на Болцман, която представлява енергията, произведена от произволно топлинно движение, и константата на Планк, която се отнася до енергията на фотона - частицата светлина.
„За да се опитат да разберат какво се случва в тези странни метали, учените са прилагали математически подходи, подобни на тези, използвани за разбиране на черните дупки“, разказва Валес. „Така че в тези материали се случва много фундаментална физика.
На бозони и фермиони
През последните години Валес и колегите му изучават електрическата активност, в която носителите на заряд не са електрони. През 1952 г. Нобеловият лауреат Леон Купър, сега почетен професор по физика на Университета Браун, открива, че в нормалните свръхпроводници (а не от високотемпературния вид, открит по-късно) електроните се обединяват, за да образуват купърови двойки, които могат да се плъзгат през атомна решетка без съпротивление. Въпреки че са образувани от два електрона, които са фермиони, двойките на Купър могат да действат като бозони.
„Фермионните и бозонните системи обикновено се държат много различно“, отбелязва Валес. „За разлика от отделните фермиони, на бозоните е позволено да споделят едно и също квантово състояние, което означава, че могат да се движат колективно като водни молекули в морските вълни.
През 2019 г. Валес и колегите му показват, че двойните бозони на Купър могат да произвеждат метално поведение, което означава, че могат да провеждат електричество с известно количество съпротивление. Това само по себе си е изненадващо откритие, казват изследователите, тъй като елементите на квантовата теория предполагат, че явлението не би трябвало да е възможно. За това последно изследване екипът е искал да види дали бозонните метали с купърови двойки също са странни метали.
Екипът е използвал купратен материал, наречен итриев бариев меден оксид, оформен с малки дупки, които предизвикват метално състояние на купърови двойки. Екипът охлажда материала до малко над неговата свръхпроводяща температура, за да наблюдава промените в неговата проводимост. Те откриват, подобно на фермионните странни метали, проводимостта на металните купърови двойки е линейна с температурата.
Изследователите казват, че това ново откритие ще даде на теоретиците нещо ново, което да проучват, докато се опитват да разберат странното поведение на метала.
„За теоретиците бе предизвикателство да излязат с обяснение за това, което виждаме в странните метали“, разказва Валес. „Нашата работа показва, че ако ще моделираме транспортирането на заряд в странни метали, този модел трябва да се прилага както за фермиони, така и за бозони – въпреки че тези видове частици следват фундаментално различни правила.
В крайна сметка една теория за странните метали може да има огромни последици. Поведението на странните метали може да бъде ключът към разбирането на високотемпературната свръхпроводимост, която има огромен потенциал за неща като електрически мрежи без загуби и квантови компютри. И тъй като поведението на странните метали изглежда е свързано с фундаменталните константи на Вселената, разбирането на тяхното поведение може да хвърли светлина върху основните истини за това как работи физическият свят.
Справка: “Signatures of a strange metal in a bosonic system” by Chao Yang, Haiwen Liu, Yi Liu, Jiandong Wang, Dong Qiu, Sishuang Wang, Yang Wang, Qianmei He, Xiuli Li, Peng Li, Yue Tang, Jian Wang, X. C. Xie, James M. Valles Jr, Jie Xiong and Yanrong Li, 12 January 2022, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-021-04239-y
Източник: Newly discovered type of ‘strange metal’ could lead to deep insights, Brown University
Още по темата
Физика
Свръхпроводници при стайна температура без екстремно налягане. Възможно ли е?
Физика
Свръхпроводимостта при стайна температура е постигната след 109 години опити (видео)
Физика
Теоретично е предсказан свръхпроводник, който може да работи при 200° С
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари