Десятилетняя тайна «странных металлов» наконец-то может быть объяснена

Физики предложили элегантное решение 37-летней проблемы, почему «странные металлы» проводят электричество необычным образом.

Эта универсальная теория может помочь ученым разработать лучшие сверхпроводники для квантовых компьютеров, говорит физик и соавтор Аавишкар Патель.

Странные металлы ведут себя странным образом, когда через них проходит электричество. При очень низких температурах эти металлы становятся сверхпроводниками, а это означает, что они имеют нулевое сопротивление потоку электронов.

Сопротивление обычно увеличивается для всех материалов. при более высоких температурах, потому что электроны более возбуждены и чаще сталкиваются друг с другом.

Как ни странно, незнакомые металлы даже более устойчивы к потоку электронов, чем обычные металлы при более высоких температурах, даже если они являются сверхпроводниками при низких температурах.

По мере того, как странный металл нагревается, он достигает критической температуры, при которой сопротивление резко возрастает. За пределами этой точки сопротивление увеличивается пропорционально температуре, что можно представить на графике в виде прямой линии, идущей вверх.

Обычный такие металлы, как железо и медь, не ведут себя так. В этих металлах сопротивление увеличивается пропорционально квадрату температуры, что на графике выглядит как плавная кривая.

Что вызывает такое странное поведение? По словам Пателя, работающего в Институте Флэтайрон в Нью-Йорке, и его коллег из нескольких других университетов США, это сочетание квантовой запутанности и случайности.

Эти свойства сами по себе не могут объяснить причуды странных металлов, но вместе «все становится на свои места», говорит Патель.

Запутанность описывает корреляции между частицами, которые придают им своего рода общую идентичность. В таких материалах, как странные металлы, пары запутанных электронов, называемые куперовскими парами, обладают волнообразными свойствами, которые при низких температурах помогают им легче проскользнуть сквозь лес атомов.

Однако расположение атомов внутри странных металлов также неодинаково. относительно случайно. Куперовские пары, распределенные неравномерно по материалу, с меньшей вероятностью будут течь в одном направлении по мере повышения температуры, из-за чего их импульс будет случайным, что вызовет дополнительное сопротивление при столкновении.

«Эта взаимосвязь запутанности и неравномерности обусловлена новый эффект; он никогда раньше не рассматривался ни для одного материала, — говорит Патель.

— Оглядываясь назад, можно сказать, что это чрезвычайно простая вещь. Долгое время люди делали всю эту историю о странных металлы излишне сложны, и это было просто неправильно».

Причудливое поведение странных металлов было впервые обнаружено в керамических кристаллах, называемых купратами, в 1986 году. Ученые, которые синтезировали этот материал, физики Георг Беднорц и Алекс Мюллер были удостоены Нобелевской премии за свои усилия.

В то время этот синтетический купрат был самым высокотемпературным сверхпроводником из когда-либо созданных, и это вызвало поиск других материалов с такими свойствами – квест это продолжается и по сей день.

Сегодня у нас есть много сверхпроводящих материалов, но они работают только при чрезвычайно низких температурах, достижимых с использованием громоздких, дорогих материалов и инфраструктуры, что делает их непрактичными для широкомасштабного использования.

Сделать странные металлы менее странными может стать важным шагом на пути к созданию высокоэффективных цепей без сопротивления, которые будут работать в условиях окружающей среды.

«Я хотел бы назвать их необычными металлами на данном этапе. точка, не странно», – говорит Патель.

Исследование было опубликовано в журнале Science.