Ученые давно установили, что сложные соединения меди — купраты — ведут
себя не так, как прочие металлы. Теперь же американские физики увидели в
них новое состояние вещества. Эти материалы открывают возможность
создания высокотемпературных сверхпроводников, необходимых энергетике и
приборостроению.
Первые высокотемпературные сверхпроводники В
1911 году физики из Голландии обнаружили, что при температуре, близкой к
абсолютному нулю — всего три кельвина, или минус 270 градусов Цельсия, —
сопротивление ртути становится нулевым: электрический ток передается
через металл без потерь. Так открыли сверхпроводимость.
Затем
ее наблюдали в некоторых других металлах и сплавах. Температура перехода
в это состояние, названная критической, несколько различалась, но
всегда была экстремально низкой, достижимой лишь в лабораторных
криогенных установках с помощью жидкого гелия.
Ситуация
изменилась в 1986-м, когда сотрудники научного подразделения корпорации
IBM Карл Мюллер и Георг Беднорц открыли первый высокотемпературный
сверхпроводник — купрат лантана и бария. Уже на следующий год им за это
присудили Нобелевскую премию.
Высокотемпературными считаются
сверхпроводники при температуре не ниже 77 кельвинов. Это точка кипения
жидкого азота, которым в промышленности охлаждают приборы и провода.
Сверхпроводниками
оказались и другие купраты. Самый известный — BSCCO, или, как его
называют физики, "биско" — "сэндвич" из слоев оксидов висмута, стронция,
меди и чистого кальция.
С этими материалами связаны уникальные
разработки в электротехнике, энергетике, транспорте — системы передачи
энергии на огромные расстояния без потерь, бесконтактные
высокоскоростные поезда, сверхсильные магниты, используемые в
термоядерных реакторах, двигатели для межпланетных космических кораблей.
Загадка "странных металлов" Хотя
купраты уже активно применяют — например, десятки километров проводов
из BSCCO в Большом адронном коллайдере в ЦЕРН, — ученые до сих пор до
конца не разобрались с физическим механизмом их высокотемпературной
сверхпроводимости.
Классическая теория БКШ, названная в честь
ее авторов — американских физиков Джона Бардина, Леона Купера и Джона
Шриффера, хорошо объясняет сверхпроводимость при температуре выше 30
кельвинов, а некоторые купраты сохраняют это качество до 130 кельвинов.
Но
и при более высоких температурах, когда сверхпроводимость пропадает,
купраты сильно отличаются от обычных металлов. Например, их
электрическое сопротивление с понижением температуры падает линейно, а
не пропорционально квадрату разницы температур. Это противоречит теории
ферми-жидкости, разработанной советским физиком Львом Ландау в 1956
году.
Электроны в металлах при низких температурах ведут себя
подобно частицам электронного газа, а взаимодействия между такими
квазичастицами — фермионами — описывают уравнения квантовой механики.
Теория ферми-жидкости подтверждается для всех металлов, с которыми мы
имеем дело в повседневной жизни, но не работает для купратов. Поэтому
физики выделили их в отдельную группу "странных металлов".
В
отличие от обычных металлов, в которых электроны перемещаются свободно
при небольшом количестве взаимодействий и небольшом сопротивлении, в
"странных" они передвигаются медленно и на ограниченное расстояние. При
этом очень активно рассеивают энергию. "Странные металлы" находятся
где-то между классическими металлами и изоляторами, у которых сильно
взаимодействующие электроны занимают фиксированные позиции.
В
последние годы ученые обнаружили множество "странных металлов", но без
сверхпроводимости. Ситуация с купратами стала еще более загадочной.
Физик-теоретик
Ян Заанен из Лейденского университета в Нидерландах предположил, что в
"странных металлах" нарушается принцип Паули, согласно которому два и
более тождественных фермиона не могут одновременно находиться в одном и
том же квантовом состоянии. Заанен назвал это "физикой нечастиц", а
состояние вещества в высокотемпературных сверхпроводниках — "запутанной
сжимаемой квантовой материей". Ученый считает, что в "странных металлах"
частицы, с одной стороны, проявляют черты коллективного поведения, а с
другой — запутываются друг с другом.
Еще одна гипотеза
описывает поведение электронов в "странных металлах" по аналогии с так
называемыми изоляторами Мотта — кристаллическими веществами, которые в
соответствии с обычной теорией электрической проводимости должны быть
проводниками. Их электроны находятся в узлах кристаллической решетки,
ровно по одному на узел, а когда появляются дополнительные, изоляторы
Мотта сразу превращаются в сверхпроводники.
Сверхпроводящие полуметаллы Сильное
магнитное поле подавляет сверхпроводимость. Ученые из США, Германии и
Колумбии во главе с Аркадием Шехтером (США) решили посмотреть, как
поведут себя купраты при низких температурах в магнитных полях — станут
ли они похожи на обычные металлы, потеряв сверхпроводящие свойства.
Физики
подняли напряженность поля до огромных значений в 60-70 тесла, но
оказалось, что и в таких условиях сопротивление в зависимости от
напряженности магнитного поля, как и от температуры, меняется линейно, а
не в соответствии с квадратичным законом, как полагается "нормальным"
металлам. То есть они вроде бы и проявляют свойства металлов, но как-то
неохотно, вполсилы.
Новое состояние материи Многие
исследователи, в том числе Заанен, считают, что поведение электронов в
"странных металлах", еще называемых квантовыми критическими металлами,
настолько сложно, что создать его модель под силу только квантовым
компьютерам.
"Это потенциально революционный этап в
фундаментальной физике, — пишет ученый на своей странице сайта
Лейденского университета. — Спустя тридцать лет все больше свидетельств
того, что высокотемпературная сверхпроводимость указывает на радикально
новую форму материи, которая определяется последствиями квантовой
запутанности в макроскопическом мире".
Тем не менее
американские физики из Корнельского университета и Института Флэтайрон в
Нью-Йорке сообщили, что построили первую цифровую модель "странных
металлов", которая подтвердила предположение нидерландского ученого о
том, что это новое состояние материи, переходная форма между
классическими проводящими металлами и изоляторами.
Исследователи
соединили два подхода. С помощью метода квантового встраивания,
разработанного в 1990-х в Центре вычислительной квантовой физики
Института Флэтайрон, выполнили подробные расчеты для нескольких атомов, а
не для всей квантовой системы.
Затем, используя квантовый
алгоритм Монте-Карло, который полагается на случайную выборку, создали
модель поведения электронов при сверхнизких температурах, вплоть до
абсолютного нуля.
В классической модели металлов при низкой
кинетической энергии положение электронов становится более
фиксированным, и система из так называемого состояния спинового стекла,
для которого характерны случайные спиновые взаимодействия, переходит в
состояние изолятора. А когда кинетическая энергия высокая, электроны
движутся свободно, слабо взаимодействуя, и система переходит в состояние
ферми-жидкости.
Меняя соотношение между кинетической энергией и
энергией взаимодействия электронов, ученые довели модельную систему до
грани между обычным металлом и изолятором. В этот момент и появились
"странные металлы". На диаграмме выявили область между двумя известными
фазами, где электроны не полностью заблокированы, но и не полностью
свободны.
Теперь предстоит придумать официальное название новому состоянию вещества.
Материалы публикуемые на "НАШЕЙ ПЛАНЕТЕ" это интернет обзор российских и зарубежных средств массовой информации по теме сайта. Все статьи и видео представлены для ознакомления, анализа и обсуждения.
Мнение администрации сайта и Ваше мнение, может частично или полностью не совпадать с мнениями авторов публикаций. Администрация не несет ответственности за достоверность и содержание материалов,которые добавляются пользователями в ленту новостей.
Не удивительно. К примеру Кв. физики считают, что типов материи более 500. Это с положительной массой. А недавно получена материя с отрицательной массой ( https://phys.org/news/2017-04-physicists-negative-mass.html ) Обсуждается и т.н. «тахионный кристал» и, возможно, материя http://kniganews.org/map/w/10-00/hex8b/ , состоящая из частиц всегда двигающихся быстрее света. Так что физики долго еще не останутся без работы.
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи. [ Регистрация | Вход ]
