Около 40 лет назад физики заметили, что некоторые металлы проводят электричество странным образом, и никто не мог этого объяснить. Новые ответы на вопросы о том, как и почему это происходит, заставляют нас задуматься о том, как движется электричество
В середине 1980-х годов неожиданное открытие спровоцировало один из самых бурных эпизодов в истории науки. Речь шла об открытии материалов, которые становились сверхпроводниками — то есть материалами, проводящими электричество с нулевым сопротивлением, — при гораздо более высоких температурах, чем когда-либо прежде.
Почти в одночасье лаборатории по всему миру свернули свои текущие исследовательские программы и бросились искать другие подобные материалы. Газеты возвестили о грядущей эпохе передачи энергии без потерь, парящих поездов и невероятных суперкомпьютеров.
Нобелевская премия была вручена в течение года.
Из-за всей этой шумихи легко было упустить из виду еще одно странное свойство новых материалов. Даже когда они были слишком теплыми для сверхпроводимости, они все равно проводили электричество, но необычным образом, с сопротивлением, которое не могла объяснить ни одна теория.
То, что стало известно как «странное поведение металлов», было интригующей загадкой для многих исследователей в этой области, но, тем не менее, это было лишь второстепенным явлением по сравнению с главной драмой — полным исчезновением сопротивления.
Прошло 40 лет, а мы до сих пор не понимаем, что такое высокотемпературная сверхпроводимость, и не смогли найти материалы, обладающие этим свойством при комнатной температуре и давлении. Но связанные с этим свойства «странных металлов» постепенно выходят на первый план. Попытки понять их заставили физиков усомниться в ключевых представлениях о том, как движется электричество, и использовать целый ряд необычных концепций — от квантовых супов до черных дыр.
Теперь эксперименты, возможно, наконец приблизят нас к разгадке. И все больше похоже на то, что это выведет нас за пределы самих странных металлов и что понимание их особой проводимости поможет нам объяснить и сверхпроводимость. «Должно быть что-то, что даст ответ», — говорит теоретик Субир Сачдев из Гарвардского университета.
Обычно проводимость металлов объясняют тем, что в них много отдельных отрицательно заряженных частиц, называемых электронами, которые могут свободно перемещаться. Их очень много: всего в 1 сантиметре обычного бытового провода примерно столько же свободных электронов, сколько песчинок на пляже. Подключите батарею, и эти электроны будут отталкиваться от отрицательного полюса и притягиваться к положительному, создавая ток.
Это приблизительная картина, которую многие из нас изучали в школе. Для физиков более детальное представление о токе основано на работе теоретика Льва Ландау 1950-х годов, в которой он использовал концепцию квазичастиц.
Чтобы представить себе квазичастицы, вспомните толпу на стадионе, которая делает «мексиканскую волну»: каждый отдельный человек движется только вверх и вниз, но все вместе они создают волну, которая распространяется в длину. Согласно идеям Ландау, электричество проводит не электрон в чистом виде, а электронноподобная квазичастица — возбуждение, которое распространяется в материалах благодаря взаимодействию всех внутренних частиц.
Как и их фундаментальные аналоги, электронные квазичастицы могут сталкиваться и разлетаться, как бильярдные шары, но расчеты с их использованием гораздо проще и при этом феноменально точны.
За 70 лет квазичастицы помогли нам верно предсказать практически все свойства материалов, от теплоемкости до электропроводности и магнитной восприимчивости. Благодаря их успеху теоретики пришли к выводу, что вся физика материалов, включая проводимость и сопротивление, сводится к взаимодействию отдельных объектов, подобных частицам.
Квазичастицы не могут беспрепятственно перемещаться в материале. При комнатной температуре или около того их движение прерывается колебаниями атомной структуры, что приводит к возникновению сопротивления, а при более низких температурах сопротивление в основном возникает из-за того, что квазичастицы рассеиваются друг от друга. В 1980-х годах было сделано удивительное открытие: некоторые материалы могут переходить в сверхпроводящее состояние даже при температурах, при которых рассеяние квазичастиц все еще должно быть значительным.
Странные металлы
Странное поведение металлов проявляется не так явно. У большинства проводников в условиях низких температур сопротивление возрастает пропорционально квадрату температуры, то есть при удвоении температуры сопротивление увеличивается в четыре раза.
Для среднестатистического материаловеда это кажется очевидным, поскольку температура должна определять два ключевых фактора, влияющих на удельное сопротивление: количество электронов, с которыми могут столкнуться другие электроны, и количество мест, куда эти электроны могут попасть после столкновения. Две зависимости от температуры, то есть температура в квадрате.
Таким образом, если построить график зависимости проводимости металла от температуры, то неизбежно получится восходящая кривая. Однако в случае странных металлов график зависимости сопротивления от температуры представляет собой прямую линию (см. график ниже).
Не было очевидного квазичастичного поведения, которое могло бы привести к такой тенденции, и чем больше физики размышляли над этим, тем больше они были озадачены. «Не существует оператора или процесса, который [мог бы обеспечить] такую мощность температуры», — писал покойный теоретик Джозеф Полчински однажды. Он добавил, что это «проводник из ада».
Некоторые считают, что ответ на самом деле не так сложен. В конце концов, линейная зависимость от температуры не является чем-то из ряда вон выходящим: медь демонстрирует такую тенденцию при комнатной температуре, когда колебания, проходящие через металл, являются основным источником сопротивления.
Эти колебания обычно рассматриваются как простые гасители, и чем выше температура, тем сильнее вибрирует материал — отсюда и линейная зависимость. В прошлом году Эрик Хеллер из Гарвардского университета и другие убедительно доказали, что именно эти колебания могут быть причиной аномального поведения металлов. Однако большинство других физиков по-прежнему не убеждены: при низких температурах, когда сохраняется странное поведение металлов, колебания, как давно известно, должны замирать.
Чуть более радикальный подход к объяснению странных металлов предполагает, что их электроны находятся в состоянии между различными формами упорядоченности. Это может происходить вблизи фазового перехода, когда материал перестраивается — например, таким образом, что квантовое свойство электронов, называемое спином, коллективно ориентируется в одном направлении, как в магните.
Считается, что на грани такого перехода, когда нет явного предпочтения одного порядка перед другим, электроны создают мимолетные узоры, похожие на щебетание скворцов в полете. И, что особенно важно, сила этих критических флуктуаций обычно линейно зависит от температуры. «Возможно, именно флуктуации вызывают сопротивление», — говорит Стивен Хайден из Бристольского университета, Великобритания.
В этом году Хайден и его коллеги использовали пучок нейтронов в лаборатории Резерфорда Эпплтона в Дидкоте, Великобритания, чтобы изучить флуктуации спинов электронов в «странном» металле. Нейтроны сами обладают угловым моментом, но не имеют заряда, что упрощает задачу, и поэтому являются отличным инструментом для изучения спина электронов.
Команда Хайдена обнаружила, что спиновые флуктуации ускоряются и замедляются синхронно с изменением температуры — это одно из самых убедительных на сегодняшний день доказательств того, что за поведением «странных» металлов стоят критические флуктуации.
Возможно, это показательный результат, но дело далеко не закрыто. «Главный вопрос для нас — можно ли на его основе построить теорию», — говорит Хайден. Вот тут-то и начинаются сложности — и именно здесь поведение «странного» металла бросает вызов нашим самым глубоким представлениям о том, какими должны быть электричество и электрическое сопротивление.
«Мурмурация» — это не про отдельных скворцов, а про поведение стаи в целом. Точно так же, если сопротивление в «странных» металлах обусловлено флуктуациями, то ключевую роль играют не квазичастицы — или, если уж на то пошло, вообще не частицы, — а коллективные структуры, в которых участвуют все электроны одновременно. Что же тогда такое электрическое сопротивление, если не отдельные столкновения?
Попытки Сачдева ответить на этот вопрос с помощью альтернативной теории начались в начале 1990-х годов в сотрудничестве с Цзиньву Е, который сейчас работает в Университете штата Миссисипи.
Два теоретика представили намеренно упрощенную систему без пространственной протяженности и вообще без атомной структуры — по сути, просто точку, в которой каждый электрон связан со всеми остальными.
В их модели любое электрическое возмущение затухает со скоростью, пропорциональной температуре, несмотря на отсутствие отдельных частиц, которые могли бы взаимодействовать друг с другом, и пространства, через которое они могли бы перемещаться. Но это едва ли было похоже на настоящий металл, и Сачдев вспоминает, что его идея была встречена с некоторым скептицизмом: «Мои коллеги думали, что Субир просто забавляется».
Пока модель Сачдева и Е находилась в подвешенном состоянии, проблема «странных металлов» становилась все более актуальной. Поначалу она касалась только «купратов», или материалов на основе оксида меди. Затем, в 2009 году, Луи Тайлефер из Университета Шербрука в Канаде и его коллеги обнаружили ее в другом классе материалов — пниктидах железа.
Десять лет спустя группа ученых под руководством Андреа Янг из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре и Кори Дина из Колумбийского университета в Нью-Йорке обнаружила его в скрученных слоях графена. Затем, всего несколько лет назад, Гарольд Хван из Национальной ускорительной лаборатории SLAC в Калифорнии и его коллеги добавили в список соединения, называемые никелатами. Но теоретики все еще пытались найти объяснение сопротивлению без участия частиц.
Затем в неожиданном направлении теоретической физики наметился прогресс. В конце 1990-х годов струнные теоретики открыли математический трюк, который позволяет описать все, что происходит в определенном объеме пространства, с помощью физики, действующей на окружающей его оболочке.
Эта «голография» была странной идеей, но она открыла новый взгляд на некоторые очень сложные проблемы, в том числе на природу черных дыр. Согласно теории голографии, все, что происходит внутри черной дыры, может быть полностью закодировано на ее горизонте событий — границе, за которой всасывается даже свет.
Сверхпроводящая таблетка из композита оксида меди, бария и иттербия. Небольшой металлический диск парит над платформой, окутанной паром.
Купраты — это керамика на основе оксида меди, обладающая сверхпроводимостью при высоких температурах
Черные дыры — это совсем не то же самое, что металлические нити в лаборатории, однако такие теоретики, как Шон Хартнолл из Кембриджского университета, полагали, что между ними может быть связь. В конце 2000-х годов он и другие ученые показали, что в некоторых голографических моделях электрический ток внутри странного металла может распространяться подобно свету, огибающему горизонт событий, постепенно теряя часть своего импульса во внутренней части черной дыры.
Никто не думал, что странные металлы — это черные дыры, но все это наводило на мысль, что голография может помочь нам понять, как они работают. В 2015 году Алексей Китаев, теоретик из Калифорнийского технологического института, выступил с докладом об одной конкретной голографической модели, которая, как позже выяснилось, была очень похожа на ранние работы Сачдева и Е.
Теперь, подойдя к этой работе более серьезно, теоретики развили ее, создав семейство моделей “SYK” — по инициалам Сачдева, Е. и Китаева, – которые все больше напоминали реальные материалы. “Внезапно наша оригинальная статья начала получать по нескольку сотен ссылок в год”, — говорит Сачдев.
Любопытно, что модели SYK предсказывали не только линейное увеличение сопротивления с ростом температуры. На более глубоком уровне они предполагали, что в странных металлах электрический ток каким-то образом теряет импульс со скоростью, зависящей только от температуры и постоянной Планка — фундаментальной величины, определяющей масштаб квантовых эффектов. Как будто сопротивление упиралось в универсальный квантовый предел скорости. Казалось, что химический состав конкретного странного металла вообще не имеет значения.
Неутешительный вывод заключается в том, что, возможно, не существует простого для понимания ответа на вопрос о том, что такое электричество в «странных» металлах. В лучшем случае модель SYK требует, чтобы физики довольствовались представлением о ней как о своего рода «квантовом супе», подчиняющемся лишь отдаленным универсальным законам, не затрагивающим отдельные частицы.
В каком-то смысле это возвращение к представлениям о проводимости XIX века, когда ученые считали, что электричество подобно жидкости. Со временем атомная теория дополнила эту картину подробностями, показав, как предсказывать некоторые ключевые свойства, такие как вязкость. С тех пор физики привыкли к тому, что любое макроскопическое явление имеет под собой ясную и интуитивно понятную основу в виде микроскопической физики. По словам Сачдева, отказ от этой основы «все равно что выдернуть ковер из-под наших ног».
New Scientist. Новости науки и аналитические материалы от журналистов-экспертов, освещающие достижения в области науки, технологий, здравоохранения и экологии на сайте и в журнале.
Физикам, возможно, придется отказаться от интуитивной микроскопической модели электричества и довольствоваться чем-то вроде странной квантовой жидкости
Вопрос в том, действительно ли проводимость в странных металлах не зависит от отдельных частиц, или же голографическая физика — это лишь маска для чего-то более фундаментального и похожего на частицы, что нам еще предстоит открыть. И, оказывается, есть способ узнать это наверняка.
Как правило, когда через проводник проходит слабый ток, он должен создавать определенный уровень электрического треска, или «дробового шума». Идея в том, что каждая частица, несущая заряд, ударяется о поверхность, как капли дождя о стекло, — если ток действительно переносится частицами. В противном случае, по словам экспериментатора Дуга Нательсона из Университета Райса в Техасе, «ситуация очень запутанная». «Дробового шума практически не должно быть».
В 2023 году группа Нательсона попыталась измерить дробовой шум в очень чистых проводах из хорошо известного «странного» металла. Однако результат оказался неоднозначным: дробовой шум был намного меньше, чем они ожидали, но не равен нулю. Можно сказать, что это был квантовый суп с редкими электронными гренками.
«Это действительно интересно», — говорит Нательсон. Другие исследовательские группы, такие как Аниндья Дас из Индийского научного института и его коллеги, в настоящее время пытаются повторить эксперимент с другими материалами. Среди теоретиков нет единого мнения о том, что это значит. Некоторые, например Сачдев, считают подавленный дробовой шум доказательством того, что странные металлы на самом деле представляют собой квантовый суп. Другие утверждают, что это явление все же можно объяснить с точки зрения мимолетных закономерностей, как это следует из экспериментов Хайдена.
А еще есть более важный вопрос, который так волновал ученых в 1980-х годах.Если мы приближаемся к новому пониманию проводимости в странных металлах, может ли это что-то сказать нам о том, как добиться сверхпроводимости при комнатной температуре?
Возможно. Несколько лет назад Сачдев и его коллеги обнаружили, что усовершенствованная модель SYK способна предсказать как сопротивление «странного металла», так и более холодную сверхпроводящую фазу в одной и той же системе. Сейчас Сачдев пытается вновь привнести в модель физику, характерную для определенных материалов, таких как купраты, в надежде, что это покажет, что поведение «странного металла» и сверхпроводимость — это два проявления одного и того же квантового «бульона».
Но, что особенно важно, его модель пока не позволяет предсказать, при какой температуре возникнет сверхпроводимость и какой материал будет демонстрировать ее при температуре, близкой к комнатной.
Тем не менее спустя 40 лет после открытия высокотемпературной сверхпроводимости и странных металлов у физиков появилось множество способов их изучения. От коллективных флуктуаций до голографии — эта загадка уже не кажется такой непостижимой, как раньше. «Будем надеяться, что какая-то их комбинация, правильно подобранная, в конце концов прольет свет на происходящее», — говорит Хартнолл.
Автор: Джон Картрайт
Из New Scientist https://www.newscientist.com
