22 МАЯ 2025г.
В лаборатории Силке Бюлер Пашен в Венском технологическом университете творится что-то странное. Стены комнаты оклеены медной фольгой, чтобы не пропускать электромагнитные волны. Синий холодильник свисает через отверстие в потолке, подвешенный к роботизированным амортизаторам, которые точно противодействуют малейшим вибрациям, в том числе от проезжающих глубоко под землей вагонов метро. Конденсат капает с холодильника в детский бассейн в стиле Миньонов. Внутри находится тонкий, как волос, образец экзотического материала, охлажденный до тысячных долей градуса выше абсолютного нуля. То, что происходит внутри этого материала, и то, как он проводит электричество, является одной из самых больших загадок в физике конденсированного состояния. Электроны начинают свой путь по лаборатории Пашена из обычной розетки. Согласно стандартной теории электричества, они мигрируют по отдельности или небольшими группами по проводам, ведущим к холодильнику. Но как только электроны достигают образца — соединения иттербия, родия и кремния — эта простая картина рушится. Образец принадлежит к классу материалов, которые физики называют «странными металлами». В течение 4 десятилетий они ломали голову над тем фактом, что в этих соединениях стандартная теория электричества просто не работает. Недавние эксперименты в лаборатории Пашен и других предполагают, что в странных металлах электроны теряют свою индивидуальность. «Они волшебным образом исчезают», — говорит она. Вместо этого электрический заряд, по-видимому, каким-то образом проходит через металл в виде диффузной аморфной капли — как вода без отдельных молекул H 2 O. Исследователи все еще обсуждают микроскопические детали этой странной картины. Но уже ясно, что ставки выше, чем просто понимание дюжины или около того странных материалов. «Это действительно загадочное состояние с большими последствиями», — говорит Пашен. Отличительной чертой странных металлов является электрическое сопротивление, которое становится выше, чем у обычных металлов, когда они нагреваются от низких температур. Они также полностью теряют свое сопротивление, становясь сверхпроводниками при более низких температурах, хотя и выше, чем у обычных сверхпроводников. Некоторые исследователи полагают, что эта высокотемпературная сверхпроводимость — просто обратная сторона странной металличности, что это два проявления одного и того же базового явления. Если это так, то путь к сверхпроводникам при комнатной температуре, долгожданная цель, которая может произвести революцию в технологиях от электросетей до транспорта, может вести через понимание странных металлов. «Вы должны получить странные металлы правильно, прежде чем вы сможете получить правильную сверхпроводимость», — говорит Филип Филлипс, физик из Иллинойсского университета в Урбане-Шампейне (UIUC). «В этом суть всего». Но последствия выходят за рамки простого создания лучших сверхпроводников. Теория, объясняющая странные металлы, может заставить фундаментально переосмыслить, как электричество работает во всех материалах. Она может поглотить стандартную теорию так же, как общая теория относительности с ее искривленным пространством-временем поглотила теорию гравитации Исаака Ньютона, и оказаться столь же тревожной. Странные металлы заставляют физиков задаться вопросом, не является ли сама идея электрона или любой другой частицы чрезмерным упрощением того, что происходит на самом деле. «Нарушение стандартной теории твердых тел в этих странных металлах настолько драматично — оно бросается в глаза», — говорит Чимяо Си, физик из Университета Райса, сотрудничающий с Пашеном. «Нет никаких сомнений в том, что это новая физика». Эта перспектива воодушевила исследователей. «Проблема странных металлов — самая сложная проблема в физике конденсированных сред», — говорит Питер Армитидж из Университета Джонса Хопкинса. «С каких это пор физики убегают от сложных проблем?»
Возникновение квазичастиц
Теория электричества в твердых материалах уже пересматривалась ранее. В течение нескольких десятилетий после открытия электронов в конце 19 века физики рассматривали их как независимые частицы, которые проходили через решетку атомов в проводнике, как шарики для пинбола, рассеиваясь от атомов. Исследователи знали, что реальность была сложнее — что электроны также отталкиваются друг от друга из-за своего отрицательного заряда — но расчет эффектов миллиардов таких взаимодействий был невозможен. В 1956 году русский физик Лев Ландау нашел короткий путь: он мог объяснить по крайней мере некоторые из этих электронных взаимодействий, рассматривая сгусток электронов как одну более тяжелую частицу, называемую «квазичастицей». Это была не физическая частица — это было состояние возбуждения, разделяемое многими частицами, как волна спортивных болельщиков, стоящих на стадионе. Но математически квазичастицы действуют как обычные частицы, проходящие через металл, рассеиваясь от атомов и друг от друга. Это рассеяние создает электрическое сопротивление, и квазичастицы позволили рассчитать сопротивление более точно. Модель Ландау, называемая теорией ферми-жидкости, остается каноническим пониманием того, как электричество течет через твердые материалы. Модель удивительно хорошо описывает свойства металлов в периодической таблице. То есть, за исключением сверхпроводимости. В 1911 году, когда физики Лейденского университета использовали жидкий гелий для охлаждения твердой ртути ниже 4°C выше абсолютного нуля, ее удельное сопротивление внезапно упало до нуля. Модель Ландау сама по себе не могла объяснить такое поведение, но всего через год после того, как он предложил свою теорию, физики придумали обходной путь. Теория, называемая БКШ, утверждает, что при таких низких температурах электроны вызывают колебания в атомной решетке сверхпроводника, которые эффективно склеивают пары электронов вместе, несмотря на их электростатическое отталкивание. Эти куперовские пары (названные в честь одного из авторов теории БКШ) затем переходят в состояние с самой низкой энергией. В этом состоянии они не могут рассеяться за пределы решетки, поскольку это потребовало бы от них потери еще большей энергии. Поэтому они протекают через материал без сопротивления. Эта картина прекрасно работала десятилетиями. Но она снова была оспорена в 1987 году, когда физики из IBM в Швейцарии обнаружили, что некоторые соединения на основе меди, или купраты, могут быть сверхпроводящими примерно на 30°C теплее жидкого гелия — слишком горячо для работы механизма БКШ. На этот раз не было быстрого решения. До сих пор ученые не идентифицировали сверхпрочный «клей», который мог бы связывать электроны вместе при таких высоких температурах. По мере того, как они продолжали открывать материалы, которые сверхпроводят при все более высоких температурах, загадка становилась все более острой.
Странно при любых температурах
Соединения «странных металлов» демонстрируют загадочное сопротивление электрическим токам, за исключением температур ниже относительно высокой критической, где они становятся сверхпроводниками. Загадки-близнецы побуждают физиков переосмыслить, как течет электричество.
А. ФИШЕР/ НАУКА
Однако подсказка таилась в оригинальных экспериментах IBM. Когда ученые нагрели свой образец купрата выше критической температуры, они заметили еще одну странную особенность: сопротивление росло по прямой линии, а не по экспоненциальной кривой, как это происходит во всех других известных металлах. Теория ферми-жидкости не могла объяснить это странное поведение. Более того, в некоторых материалах сопротивление продолжало неуклонно расти, а не выравниваться по мере дальнейшего повышения температуры (что делало их особенно плохими проводниками). Чтобы объяснить такое высокое сопротивление в рамках Ландау, потребовалось бы, чтобы электронные квазичастицы рассеивались на расстояниях, меньших, чем есть что рассеивать, в пустых пространствах атомной решетки. Постепенно физики начали понимать, что необычное сопротивление этих «странных металлов», как стали называть эти материалы, было такой же важной загадкой, как и их высокотемпературная сверхпроводимость. «У этого есть отличительный признак действительно хорошей физической проблемы: это очень просто, и, похоже, требует больших концептуальных изменений», — говорит Питер Аббамонте, физик из UIUC.
В 2004 году голландский физик Ян Заанен заметил еще кое-что об удельном сопротивлении в странных металлах. Наклон удельного сопротивления материала является мерой того, насколько быстро он рассеивает электрический ток в виде тепла. В обычных металлах скорость рассеяния электронов зависит от микроскопических деталей материала. Но в странных металлах рассеивание — а значит, и удельное сопротивление — всегда, по-видимому, растет с максимально возможной скоростью. Более того, эта скорость пропорциональна постоянной Планка, ключевому значению в квантовой механике, которое определяет, насколько точно можно измерить определенные свойства частиц. «Планковское рассеивание», как его окрестил Заанен, подразумевало, что поведение электронов в странных металлах должно отражать размытые квантовые эффекты, которые не учитываются квазичастицами Ландау. К 2019 году планковская диссипация оказалась общим свойством купратов . В том же году Заанен составил 40-страничный манифест , призывая своих коллег рассматривать линейное сопротивление как «выражение новой, действительно фундаментальной физики», которая потребовала от них отказаться от модели квазичастиц. Теоретики сейчас пытаются сделать именно это. В обзоре в Science в 2022 году группа под руководством Филлипса пришла к выводу, что в странных металлах, по крайней мере, «электроны больше не являются основными носителями заряда. Когда картина частиц нарушается, ни одна локальная сущность не переносит ток». Вопрос в том, что переносит.
Тихое место
Долгое время многие физики сопротивлялись призыву Заанена к оружию. Филлипс не был одним из них. «Квазичастицы всегда были костылем, и нам нужно выбросить костыли», — говорит Филлипс. В последнее время поток новых экспериментальных методов начал подчеркивать все странности, которые упускала из виду упрощенная картина Ландау. Во время творческого отпуска в Райсе в 2016 году Пашен объединился с Си и его коллегой Дугом Нательсоном, чтобы придумать способ, по сути, прослушивать ток внутри странных металлов. Так же, как запись стука дождя по крыше может рассказать вам о размере и частоте капель дождя, измерение колебаний тока вдоль странного металлического провода может рассказать вам о природе того, что несет ток. Вместо того, чтобы улавливать непоследовательный треск проходящих электронов или квазичастиц, шум, который слышали исследователи, был абсолютно постоянным. Казалось, что электричество течет по проводу как однородный суп. Результаты, представленные в 2023 году, нанесли самый сильный удар по идее квазичастиц. Пашен говорит, что эксперимент полностью переосмыслил ее мысленный образ того, что происходит внутри странного металла. В своих презентациях она представляла это как хаотичное торнадо беспорядочных электронных взаимодействий. Теперь она думает, что «это на самом деле что-то очень контролируемое. Это тихое место». Другие исследователи нашли способы исследовать свойства странных металлов более непосредственно. Армитидж освещает образцы дальним инфракрасным светом и не находит никаких доказательств существования квазичастиц. Стивен Хейден, физик из Бристольского университета, стреляет в них пучком нейтронов и обнаруживает волны магнетизма, которые замедляются по мере охлаждения образца, что является намеком на то, что материал переходит в новое состояние. Аббамонте использует электронную пушку для исследования изменений плотности электронов в материале и вместо этого обнаруживает равномерное распределение заряда . «Нет никаких измерений, которые вы можете сделать с помощью системы, которая скажет вам, сколько в ней электронов», — говорит Аббамонте. «Они действительно просто ведут себя очень странным образом».
Силке Бюлер-Пашен держит странный металл, состоящий из церия, палладия и кремния. Она нашла доказательства того, что его электроны квантово-механически запутаны. МАТТИАС ХЕЙСЛЕР/ВЕНСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Все три недавних эксперимента по рассеянию также предполагают, что различные свойства электронов в этих странных металлах являются «масштабно-инвариантными». Измерьте, например, флуктуации плотности заряда как функцию температуры, и она будет следовать той же общей кривой в узком диапазоне температур, что и в широком. Наблюдение за физическими явлениями внутри странного металла похоже на увеличение снежинки: вещи выглядят одинаково во всех масштабах. Между тем физики видят намеки на то же странное поведение электронов в материалах, сильно отличающихся от исходных купратных соединений, от вращающихся листов графена до звездообразных решеток никеля и индия. Вызов существующей картине электричества, похоже, выходит далеко за рамки нескольких металлов-аутсайдеров.
В 2023 году Заанен впал в кому после лечения рака пищевода — следствие пожизненной преданности сигаретам , которая вышла за рамки простой зависимости. («Никотин подпитывал его математику», — говорит Аббамонте.) Когда он очнулся в больнице, его семья сказала ему, что они уже планируют его поминальную службу. Он спросил, может ли он пойти. Тем летом Заанен устроил собственные похороны в Лейдене, и физики прилетели со всего мира, чтобы присоединиться к вечеринке. Он умер несколько месяцев спустя. «Все мы чувствуем необходимость срочно решить эту проблему, и это не в последнюю очередь связано с его смертью», — говорит Филлипс, считавший Заанена одним из своих самых близких друзей. «Мы обязаны Яну решить эту проблему».
Перемонтаж электричества
Теория Ландау настолько укоренилась, что физики не знают, как говорить об электричестве без нее. «Слова, которые мы используем очень часто, предполагают, что у нас есть эти электронные квазичастицы», — говорит Армитидж. «Возможно, нужна другая линза, но какая именно, мы не знаем».
Манифест Заанена оставил некоторые намеки. Он предположил, что в основе странного поведения металлов лежит «запутанность», квантовое явление, связывающее свойства частиц, позволяя им действовать почти как единый объект, даже когда они слишком далеко друг от друга, чтобы общаться. «Мы имеем дело с совершенно новой формой материи, контролируемой системой, где буквально все запутано со всем», — написал он. Максимально запутанные электроны образуют диффузную «жидкость», которая будет иметь минимально возможную вязкость , согласно Заанену. Представьте себе, что вы бросаете камень в суп — чем жиже бульон, тем быстрее рассеивается рябь. Поскольку квантовый суп имеет минимальную вязкость, он будет рассеивать энергию с максимально возможной скоростью, объясняя, почему сопротивление странного металла так быстро растет по мере его нагревания. Он не стал объяснять, как может образоваться этот запутанный электронный суп. Но три теоретика сейчас выдвигают отдельные попытки.
Первая идея принадлежит физику Субиру Сачдеву из Гарвардского университета. Три десятилетия назад он помог разработать математическую модель того, как случайные взаимодействия электронов приводят к их запутыванию. В научной статье 2023 года Сачдев использовал обновленную модель, чтобы доказать, что в странных металлах квазичастицы рассеиваются на магнитных волнах и дефектах атомной решетки и распадаются, оставляя сильно запутанный суп из электронов. Хейден говорит, что теория Сачдева «кажется, имеет хорошую возможность объяснить то, что мы видим» в его недавних экспериментах по рассеянию нейтронов, в частности, поведение магнитных волн. Пашен находит математическую и объяснительную силу теории «очень привлекательной», но она не верит в важность случайности и несовершенств решетки в управлении запутанностью. Многие странные образцы металлов, включая ее собственные, являются исключительно чистыми и регулярными, говорит она.
Лаборатория Силке Бюлер-Пашен в Вене имеет медные стены, защищающие ее от электромагнитного шума, который может заглушить слабые сигналы от странных металлов. ДУЙ ХА НГУЕН/ВЕНСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
В прошлом году Пашен нашла способ фактически исследовать запутанность внутри материала, следуя подходу, предложенному Петером Цоллером из Университета Инсбрука в 2016 году. Совместно с Си и Фахером Ассадом из Университета Вюрцбурга она использовала эту технику для оценки минимального количества запутанности, присутствующей в странном металле, состоящем из церия, палладия и кремния. Опубликованный в качестве препринта в марте, их результат — по крайней мере девять запутанных электронов — звучит крошечным, но это чрезвычайно консервативная оценка, говорит Пашен, а также самая сильная запутанность, когда-либо задокументированная в любой твердотельной системе.
Экспериментальное подтверждение многочастичной запутанности привело Си ко второй теории странных металлов, опубликованной в журнале Nature Communications в марте. Си вызывает взаимодействия между двумя наборами электронов в металле: электронами проводимости, которые могут свободно перемещаться, и внутренними электронами, которые заблокированы на атомах металла. В обычных металлах электроны проводимости и спины внутренних электронов связываются, образуя квазичастицы. Но в состоянии странного металла внутренние электроны настолько сильно запутаны между собой — как показывают эксперименты Пашена — что они ограничены от общения с внешними электронами. Это приводит к разрушению квазичастиц, оставляя максимально запутанный сгусток электронов проводимости, который проходит через решетку только с трудом, говорит Си — отсюда и высокое удельное сопротивление. Но если материал охлаждается ниже его критической температуры, возбужденный электронный суп реорганизуется в сверхпроводящее состояние. Пашен планирует исследовать переход, предложенный Си, используя свой большой синий холодильник для проведения своих шумовых экспериментов при все более низких температурах. В сверкающе-белой чистой комнате ее команда занята распылением образцов материалов на тонкие пленки. После того, как они нарежут эти образцы на провода и загрузят их в камеру, Пашен будет слушать шум в надежде услышать изменение запутанности в материале при его переходе из странного металла в сверхпроводник.
Внутри этой машины команда Силке Бюлер-Пашен напыляет сверхтонкую странную металлическую пленку на подложку, которую она будет использовать в своих экспериментах. З. САВИЦКИЙ/ НАУКА
Си говорит, что способность измерять запутанность — это прорыв, который уже приносит новые идеи. «Я думаю, что потенциально открывается шлюз», — говорит он. Филлипс соглашается. «Это действительно, действительно большое дело». В препринте в марте он использовал аналогичный подход для расчета уровня запутанности, наблюдаемого в эксперименте его коллеги Аббамонте по рассеянию электронов. Он пришел к выводу, что он был значительно больше , чем в обычных металлах. Более того, Филлипс считает, что эксперимент Аббамонте является доказательством того, что все, что несет заряд в странных металлах, не имеет четко определенной массы или энергии. Это убеждение лежит в основе его третьего объяснения поведения странных металлов. За последнее десятилетие Филлипс утверждал, что ток в странных металлах переносится чем-то радикально отличным от электронов, даже запутанных. Он отдает предпочтение тому, что физик из Гарварда Говард Джорджи назвал « нечастицами » — умопомрачительной, все еще гипотетической формой материи. В отличие от всех известных частиц, которые имеют четко определенную массу в состоянии покоя, нечастица может принять любую возможную массу, в зависимости от того, как она измеряется. Филлипс говорит, что суп из нечастиц с переменной массой — это единственный способ, которым он может осмыслить все ошеломляющие экспериментальные данные о странных металлах. Но он пока не уверен, как этот суп может привести к появлению отличительной черты странных металлов — их линейного сопротивления.
Филлипс признает, что его идея дальше, чем у Сачдева или Си. «Кажется, я принципиально неспособен делать что-либо, что было бы хорошо принято», — говорит он. Как чернокожий физик, объясняет он, он привык к опыту не вписывания. «Легче идти против течения, когда ты не часть течения», — говорит Филлипс. Однако его неприязнь к частицам соответствует тенденции , которая выходит за рамки сообщества странных металлов, говорит Мейган Аронсон из Университета Британской Колумбии, изучающая, как новые виды материи возникают вблизи квантовых фазовых переходов. «Мы изучали электроны в школе, поэтому мы все очень привязаны к ним», — говорит Аронсон. Но за последние несколько десятилетий прорывы в этой области неоднократно показывали, как коллективное поведение электронов может объяснить явления, которые отдельные электроны объяснить не могут. Как и Филлипс, Аронсон подозревает, что «возможно, электроны не являются фундаментальной частицей в физике конденсированного состояния». Заанен бы одобрил. «Физика двадцатого века вращалась вокруг идеи частиц», — писал он в своем манифесте. Но когда дело доходит до странных металлов, «нельзя переоценить, насколько обманчива сама идея частицы».
Клей — это суп.
В апреле на семинаре в Институте физики сложных систем Макса Планка в Дрездене, Германия, собралась горстка энтузиастов странных металлов, чтобы сравнить свои новые идеи. Хотя теоретики сохраняют свое здоровое соперничество, «мы все движемся в одном направлении», говорит Си. Он, Сачдев и Филлипс сходятся во мнении, что ток течет через странные металлы как диффузный квантовый суп, лишенный каких-либо локализованных электронных квазичастиц. Просто у каждого из них разные представления о точных ингредиентах этого супа. «Я чувствую, что мы довольно близки к пониманию странных металлов», — говорит Сачдев. «Идеи не так уж далеки друг от друга — мы говорим об одном и том же слоне с разных точек зрения». Теоретики также едины в своем убеждении, что новые идеи из странных металлов являются ключом к созданию лучших и более высокотемпературных сверхпроводников. Десятилетиями исследователи были сосредоточены на выяснении «клея», который мог бы связывать электроны в куперовские пары при более высоких температурах. Но если заряд на самом деле перемещается как некий запутанный квантовый сгусток, эти усилия могут быть ошибочными. «Вам не нужен клей, если все это — суп», — говорит Си. По словам Си, чтобы найти революционные сверхпроводники, работающие в условиях окружающей среды, нужно изучить материалы, которые являются особенно плохими проводниками при более высоких температурах. «Это ошеломляет, но такова парадигма странных металлов», — говорит он. Си считает, что высокое удельное сопротивление странных металлов указывает на то, что электроны в этом состоянии «разочарованы», и при достаточном охлаждении они естественным образом перестраиваются в более комфортное сверхпроводящее состояние. Его цель — поднять этот переход до комнатной температуры: «Вы делаете эти частицы настолько несчастными, насколько это возможно, чтобы они могли реорганизоваться во что-то, что действительно важно для нас в определенных целях, например, для спасения мира».
Со своей стороны, Филлипс считает, что нечастицы могут стать путем не только к сверхпроводникам комнатной температуры, но и к переосмыслению электричества без электрона. На семинаре в Дрездене он заполнил доску математическими расчетами, описывающими, как заменить описания квазичастиц на нечастичные. «Вы должны пойти и показать в своей теории, как убивается квазичастица», — говорит он. «Если вы убьете квазичастицу, у вас появится новая отправная точка, и это то, что мы все пытались найти». Внеклассная страсть, далекая от физики, укрепляет Филлипса в этом творческом разрушении. Ровно в 15:30 он извинился и покинул семинар: пришло время репетиции оперы. На офисной кухне без ковра, с цветущими за окнами вишнями, Филлипс дал волю своему мощному басу. Чайные кружки дрожали, когда он декламировал песню на немецком языке из « Похищения из сераля» Вольфганга Амадея Моцарта . Одна строка выделялась: «Я учусь день и ночь, я ломаю голову и не успокоюсь, пока не увижу, как тебя убьют».
Квазичастицы в центре внимания.
источник: https://www.science.org/content/article/strange-metals-point-whole-new-way-understand-electricity
фото: Киллиан Эон