Теорията за квантовата критичност се подкрепи с доказателства

Ново проучване добавя данни в подкрепа на теорията, че странното поведение на електроните, включително високотемпературната свръхпроводимост и физиката на тежките фермиони следват от квантовите флуктуации на електрони в силно корелирано (свързани) състояние.

Физици от Университета Райс, университета Чжецзян, университета на Флорида, Националната лаборатория в Лос Аламос и Института Макс Планк наскоро . публикуваха резултатите от работата си по темата в Proceedings of the National Academy of Sciences.

Изследването описва следствията от поредица експерименти, проведени върху слоест композит от церий, родий и индий. По време на експериментите за първи път е проверена прогноза на теорията за произхода на квантовото критично състояние, която бе публикувана от физика Ци Мао Си и неговите колеги от Университета Райс през 2001.

"Нашата теория в момента на появата си изглеждаше нереална, защото бе в противоречие с учебниците и предполагаше, че множеството от явления, включително високотемпературната свръхпроводимост може да се обясни с условията на колективно поведение на силно свързани електрони, а не на по-познатата теория, основана до голяма степен на несвързани електрони", заяви съавторът на проучването Ци Мао Си.

През последните 10 години експерименталните данни в подкрепа на новата теория ставаха все повече, а новото изследване запълни още една празнина.

Учените изследват проби от висококачествен тежък материал, известен като CeRhIn5.

Материалите от тежки фермиони като CeRhIn5 са прототипи на системи с квантова критичност. В тези материали електроните действат в синхрон и дори един електрон преминаващ през системата, води до силен ефект. Поведението на корелираните електрони е доста по-различно от взаимодействието на електроните в металите като в медта, например. Физиците са все по-убедени, че поведението на корелираните електрони играе важна роля в такива явления като квантовата критичност и свръхпроводимостта.

Естеството на квантовите критични точки, около които се забелязват тези явления, се изследват с помощта на т.н. повърхност на Ферми - един вид триизмерна карта, която показва колективните енергийни състояния на всички на електрони в материала.

Повърхността на Ферми е вид триизмерна карта представяща колективните енергийни състояния на електроните в материала. Тези компютърно генерирани илюстрации Повърхността на Ферми за CeRhIn5, в зависимост от това дали електроните са силно взаимодействащи (вляво) или слабо взаимодействащи (вдясно). Илюстрация: Q. Si/Rice University and J.X. Zhu/Los Alamos National Laboratory

Когато физиците по-рано са се опитали да опишат фазовите квантови преходи, използвайки традиционните теории, съгласно уравненията, повърхността на Ферми би трябвало да се променя плавно и постепенно, когато материалът преминава критичната точка. В този случай, болшинството електрони на повърхността на Ферми все още са слабо свързани един с друг.

Обратното, теорията на Си предсказва, че в критичната точка повърхността на Ферми показва радикално и мигновено изменение.

Електроните по цялата повърхност на Ферми стават строго сдвоени, усилвайки странните метални свойства, които позволяват необичайни електронни състояния, включително свръхпроводимостта.

Още по темата

29/01/2015

Физика

Квантов компютър потвърждава теорията на относителността