» » Ученые открыли новое состояние вещества

Ученые открыли новое состояние вещества

Ученые открыли новое состояние вещества

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.

Ученые открыли новое состояние вещества



График открытия сверхпроводящих соединений с 1900 по 2015 год. Голубыми ромбами отмечены купраты

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.

Ученые открыли новое состояние вещества



Элементарная ячейка высокотемпературного купратного сверхпроводника BSCCO



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.

Ученые открыли новое состояние вещества



Диаграмма, показывающая разные состояния вещества в зависимости от температуры (Т) и силы взаимодействия (U), нормированных на количество электронных переходов (t)

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.

09 сентябрь 2020 /
  • Не нравится
  • 0
  • Нравится

Похожие новости

Ученые, возможно, обнаружили новое состояние вещества

Возможность использования электрического заряда представляет собой результат тысячелетнего исследования природы человеком. О том, чем же именно являются молнии, человек начал задумываться едва ли не

Открыто новое состояние вещества

Команда физиков открыла новое состояние вещества, которое, по их словам, может увеличить потенциал хранения информации в электронных устройствах. Открыто новое состояние вещества...

Оксид иттрия-бария-меди и магнитная левитация

На картинке изображена левитация постоянного магнита из неодима над охлажденным до сверхпроводящего состояния высокотемпературным сверхпроводником — оксидом иттрия-бария-меди...

15 фактов о драгоценных металлах

Благородные металлы — металлы, не подверженные коррозии и окислению, что отличает их от большинства металлов. Все они являются также драгоценными металлами, благодаря их редкости. Основные

10 фактов о металлах

Согласно одному анекдоту, в наши дни людей не пытают калёным железом, поскольку для этого существуют благородные металлы.
Комментарии

НАПИСАТЬ КОММЕНТАРИЙ

Ваше Имя:
Ваш E-Mail:
Код:
Кликните на изображение чтобы обновить код, если он неразборчив
Введите код:
Популярные новости
Существует 50% вероятность того, что мы живем в симуляцииВремя эластично: почему на вершине горы время идет быстрее, чем на пляже?Кого и зачем приносили в жертву Древние Египтяне?Ученые пытаются понять, как могла появиться жизнь на ВенереНа МКС найдено место утечки воздуха. Что дальше?Почему птицы летают клином11 живописных мест на планете, раскрашенных самой осеньюКрупнейшая озоновая дыра зафиксирована над Антарктидой