Необычный поток электрического тока через странный класс металлов бросает вызов нашему хрестоматийному пониманию частиц, которые несут заряд - ибо то, что пропускает ток через эти металлы, совсем не похож на электроны.
После года проб и ошибок, Лиян Чену удалось превратить металическией провод в микроскопическую нить, шириной в половину от толщены бактерии E.coli (кишечной палочки). Этого было достаточно, что бы пропустить струйку электрического тока. Чен надеялся, что крупицы этого тока помогут разрешить загадку о том, как заряд перемещается через удивительный класс материалов, известные миру как -
СТРАННЫЕ МЕТАЛЛЫ - также известные как нефермиевские жидкости, представляют собой класс материалов, которые не подчиняются традиционным законам электротехники. Они могут проводить электричество с нулевым сопротивлением при температурах, намного превышающих температуру обычных сверхпроводников.
Чен, и его коллеги из Университета Райса измерили ток, протекающих через тонкую металлическую проволку. Учёные обнаружили, что ток двигался плавно и равномерно. Он двигался настолько плавно, что это бросало вызов теории физиков об электричестве в металлах.
Согласно законам - электрический ток возникает в результате коллективного движения электронов, каждый из которых несет одну неделимую частицу электрического заряда. Но “почти мертвая“ устойчивость тока Чена подразумевала, что он вообще не состоял из частиц. Это было равно тому, как найти жидкость, в которой отсутствовали узнаваемые молекулы.
На первый взгляд это может показаться дикостью, но это было именно то, чего и добивалась группа физиков, проводя эксперименты на металлах. Эти металлы, обманывали и сбивали с толку физиков ещё с 1980-х годов.
“Это была прекрасная работа”, - сказал Субир Сачдев, физик-теоретик из Гарвардского университета, специализирующийся на странных металлах.
Данное наблюдение, было опубликовано в журнале Science, но пока что нет прямых указаний, показывающие - что конкретно проводит ток, через эти необычные металлы, совсем не похожих на электроны. Новый эксперимент лишь доказывает подозрения, что в странных металлах возникает новое квантовое явление. Так же он предоставляет физикам-теоретикам, новую информацию, пытающимся понять - а что же это может быть?
“Никто понятия не имеет, откуда берутся странные металлы” - Сказал Питер Аббамонте, физик из университета Иллинойса в Урбана-Шампейн.
“Раньше это вызывало беспокойство, но теперь мы понимаем, что на самом деле это другая материя, обитающая в этих предметах”.
Гаечный ключ из купрата
Первый вызов традиционному пониманию металлов, был брошен в 1986 году, когда Георг Беднорц и Карл Алекс Мюллер потрясли мир физики своим открытием высокотемпературных сверхпроводников - металлов, которые прекрасно проводят электрический ток даже при относительно высоких температурах. Всеми известные металлы, такие как олово и ртуть, становятся сверхпроводниками только при охлаждении до нескольких градусов от абсолютного нуля. Беднорц и Мюллер измерили электрическое сопротивление материала на основе меди (купрата) и заметили, что сопротивление исчезает при относительно “приятной температуре” в -238 градусов. (Через год, Беднорц и Мюллер получат нобелевскую премию, за свое прорывное открытие.)
Физики поняли, что высокотемпературная сверхпроводимость - это только начало загадочного поведения купратов.
Купраты стали загадочными, после того, как перестали быть сверхпроводниками, и начали оказывать сопротивление. Когда все металлы нагреваются, сопротивление тока увеличивается. Более высокие температуры означают, что атомы и электроны сильнее колеблются, создавая большие столкновения, которые в свою очередь вызывают сопротивление. В обычных металлах, таких как никель, сопротивление возрастает квадратично при низких температурах. (квадратичное возрастание означает, что функция или величина увеличивается не пропорционально, а с ускорением) Но в купратах оно возрастало линейно. Каждая степень нагревания приводила к равномерному увеличению сопротивления — причудливая закономерность, которая продолжалась на протяжении сотен градусов и, в данных условиях, эта странность затмевала сверхпроводящую способность материала. Купраты были самыми странными металлами, которые исследователи когда-либо видели.
Линейный рост сопротивления, поставил под угрозу знаменитое объяснение того, как электрический заряд перемещается через металлы. Теория "Ферми-жидкости” советского ученого Льва Ландау, предоставленная миру в 1956 году заявляла, что электроны являются главным звеном проводимости в большинстве металлов, при достаточно низких температурах. Эта теория была основана на более ранних работах, которые предполагали что электроны переносят электрический ток и то, что электроны движутся сквозь металл подобно газу, а так же свободно перемещаются между атомами, не взаимодействуя друг с другом.
Ландау же добавил к ранним работам нечто важное, а именно - сложного факта взаимодействия электронов. Все электроны отрицательно заряжены, что означает, что они постоянно отталкиваются друг от друга. Учитывая это если взаимодействовать между частицами, электронный газ превращался в подобие океана, и когда один электрон перемещался через поток других электронов, он начинал мешать соседним электронам. В результате сложной серии взаимодействий, включающих взаимное отталкивание электронов, в конечном итоге путешествовали толпами — скоплениями, известными как квазичастицы.
Чудо теории Ферми-жидкости заключалось в том, что каждая квазичастица вела себя так, будто она была единственным фундаментальным электроном, которая, своего рода попадала в “свой океан” , заставляя двигаться подобные ей, фундаментальные электроды. Однако одним из основных отличий было то, что эти квазичастицы двигались медленнее или проворнее (в зависимости от материала), чем обычный электрон, действуя гораздо эффективнее. Теперь физики, скорректировав свои условия в уравнениях, смогли рассматривать ток как движение электронов, только со звездочкой, показывая, что каждый электрон на самом деле является скоплением квазичастиц.
Главным триумфом концепции Ландау стало то, что он смог раскрыть сложный способ квадратичного увеличения сопротивления вместе с температурой в обычных металлах. Электроноподобные квазичастицы стали стандартом понимания металлов.
“Это есть в каждом учебнике”, - сказал Сачдев.
Но в случае с купратами, теория Ландау разрушилась. Сопротивление выросло в виде безупречной линии, а не стандартной квадратичной кривой. Физики долгое время интерпретировали эту линию как признак того, что купраты являются родиной нового физического явления.
“Вы в значительной степени должны верить в то, что природа либо дает вам подсказку, либо она невероятно жестока”, - сказал Грегори Бобингер, физик из Университета штата Флорида, который большую часть своей карьеры изучал линейный отклик купратов.
“Поставить такую ужасно простую и привлекательную подпись и не иметь к ней физического отношения, было бы просто невыносимо”.
Купраты были только началом. С тех пор исследователи обнаружили множество различных металлов с такими же заманчивыми линейными сопротивлениями, включая органические соли Бехгаарда, и смещенные листы графена.
По мере того, как происходили новые открытия этих Странных металлов, ученые задавались вопросом, почему теория жидкости Ландау, не работает. Некоторые стали подозревать, что возможно это из за того, что квазичастиц не существует. Электроны каким-то странным образом организовывались сами по себе, что скрывало любую индивидуальность, подобно тому, как изначальный вкус винограда, теряется в общем разнообразии виноградов, находящиеся в бутылке вина.
“Это фаза материи, где электрон не имеет идентичности”, - сказал Аббамонте.
“Тем не менее, [странный металл] есть металл, и он каким-то образом проводит ток”.
Электроны, сами по себе не ликвидируются. По мнению некоторых ученых, потенциально непрерывный электрический ток - который не разделяется на электроны - потенциально неприемлем. А некоторые эксперименты со странными металлами продолжают подтверждать теории Ландау.
Сохраняющиеся разногласия, побудили научного руководителя Чэня, Дугласа Нательсона из университет Райса, вместе с его коллегой Цимяо Си, рассмотреть, как они могли бы более тщательней изучить анатомию заряда, движущегося через странный металл.
“Что я могу измерить, что даст мне понять, а что вообще происходит?” Задавался вопросом Нательсон .
Анатомия электричества
Цель команды звучала так - проанализировать ток в странном металле. Ученые решили пускать ток ,сорозмерно заряду с электрон? А возможно ли такое сделать? Чтобы выяснить это, они черпали вдохновение из классического способа измерения колебаний потока — “Дробовой шум” — явления, которое можно понять, если подумать о том, как может идти дождь во время грозы.
Представьте, что вы сидите в своей машине и слышите прогноз погоды из проверенного источника.В нём говорится, что в течение следующего часа выпадет 5 миллиметров осадков. Эти 5 миллиметров равны общему электрическому току. Если представить, что все капли можно объединить в несколько огромных капель, и отправить их в свободное падение, то очевидно, что из за большого веса и силы гравитации они упадут очень быстро, и соответственно, вы будете хорошо слышать то, как разбиваются эти капли о землю, или о крышу вашего автомобиля. Но, если те же самые 5 миллиметров дождя превратятся в постоянный туман из мельчайших капелек, разница во времени падения— и, следовательно, шум от них— будет практически незаметной. Туман будет плавно подавать почти одинаковое количество воды от момента к моменту. Таким образом, шум от падения показывает размер капель.
“Простое измерение скорости, с которой падает вода, не дает вам полной картины”, - сказал Нательсон.
“Измерение колебаний [этой скорости] говорит вам гораздо больше”.
Аналогичным образом, слушая потрескивание электрического тока, можно узнать о составляющих его частицах заряда. Обычно эти частицы являются квазичастицами Ландау, подобными электронам. Регистрация дробового шума тока, в обычном металле является распространенным способом измерения основного заряда электрона — 1,6 × 10^-19 кулонов.
Чтобы добраться до сути тока странного металла, команда хотела измерить шум. Но электронный шум от выстрелов может быть спрятан за пульсациями электрона, который перемещается в атомной решетке металла. (атомными
решетками, называют кристаллические решётки, в узлах которых находятся отдельные атомы, соединённые ковалентными связями) Чтобы избежать этой путаницы, исследователи пропускают ток по проволоке таких размеров, что у пульсации попросту не хватит времени на то, что бы воздействовать на электроны. Эти провода должны быть наноскопическими по масштабу.
Группа выбрала для работы особый странный металл, изготовленный из иттербия, родия и кремния, ибо Нательсон и Сильке Бюлер-Пашен, ранее работали над тем, как выращивать материал в пленках, толщиной всего в десятки нанометров.
Затем, Чену пришлось придумать способ, как взять эти пленки и вырезать провод длиной и шириной всего в несколько нанометров.
В течение года, Чен тестировал различные способы обработки металла при помощи пескоструйной обработкой с добавлением атомов. Но в ходе испытаний он обнаружил, что полученные в результате нанопроволоки, получили повреждения атомного масштаба, которые разрушили характерное линейное сопротивление странного металла. После десятков попыток он всё таки нашел способ: Чен покрыл металл хромом, а затем использовал струю аргонового газа, для того, что бы уничтожить всё, кроме тонкой полоски защищенного хромом, затем он удалил хром при помощи ванны с соляной кислотой.
Чен, который ещё весной успешно защищал докторскую степень, уже сейчас работал над поиском финансирования данного проекта, и созданием, почти безупречных нанопроволок. Каждая из этих нанопроволок, были размером 600 нанометров в длину и 200 нанометров в ширину — примерно в 50 раз меньше эритроцита (клетки крови).
После охлаждения этих проволок, до температуры, выраженной в однозначной цифре Кельвина, исследователи начали пропускать электрический ток через нанопроволоки из странного металла. Одновременно с этим экспериментом, ученые пропустили ток ещё через нанопроволоки сделанные из обычного золота. Ток в золотой проволоке потрескивал знакомым образом, но ток, созданный заряженными квазичастицами был как - крупная капля дождя, падающая на крышу автомобиля. В странном металле, ток тихо проходил по нанопроводу, эффект сродни похож беззвучному шипению тумана. Наиболее простая интерпретация эксперимента заключается в том, что заряд электрона в этом странном металле, не течет порционально.
“Экспериментальные данные дают нам убедительное доказательства того, что квазичастицы теряются в странном металле”, - сказал Си.
Однако, не все физики до конца убедились в том, что эксперимент Ландау уничтожает теорию о квазичастицах.
“Это очень смелое заявление”, - сказал Брэд Рамшоу, физик из Корнеллского университета.
“Для этого, вам потребуются убедительные данные”.
Одним из ограничения данного эксперимента было то, что группа проводила эксперимент только на одном виде метала. Данный показатель дробового шума не гарантирует того, что в Иттербий, смеси Родия и Кремния, такой же как и в других странных металлов. И разовая аномалия, почти всегда можно объяснить какой-нибудь - плохо изученными данными материала.
Рамш также подметил, что металлические кольца со всевозможными странными вибрациями, могут исказить уровень дробового выстрела. Чен и его команда исключили помехи от распространенных вибраций, но вполне возможно, что какие-то необычные колебании, ускользнули от их внимания.
Тем не менее, Рамшоу находит эксперимент убедительным.
“Это сильно мотивирует людей пытаться проводить и другие эксперименты, чтобы посмотреть, подтвержадющие данные об отсутствии электронов”, - сказал он.
Если не электроны, то что?
Если общепринятая картина квазичастиц продолжит разрушаться, то что же сможет ее заменить? Как ток движется в странных металлов, если не в электроноподобных сгустках заряда? Эту ситуацию нелегко описать, не говоря уже о том, чтобы появилась возможность выразить это точными математическими терминами.
“Какой правильный словарь использовать, - сказал Нательсон, - если вы не собираетесь говорить о квазичастицах?”
На этот вопрос, физики отвечают целым рядом метафор, описывающих то, что начинает происходить, после того когда исчезают отдельные электроны:
-они сливаются в запутанный квантовый суп
-они застывают в желе
-они образуют пенистое месиво из плещущихся вокруг зарядов
Филип Филлипс из Урбана-Шампейн, сравнивает электроны странного металла с каучуковой резиной. Когда каучуковый сок, выходит из дерева, ее молекулы выстраиваются в отдельные цепочки. Но в процессе вулканизации эти молекулы превращаются в прочную сеть. Из совокупности отдельных элементов возникает новое вещество.
“Вы получаете нечто большее, чем сумма его частей”, - сказал он. “Сами электроны не обладают целостностью”.
Чтобы выйти за рамки расплывчатых описаний возникновения, физикам нужно точное математическое описание — пока еще не доказанной теории Ферми-жидкости для странных металлов.
Субир Сачдев, в начале 1990-х годов впервые предложил предложил модель SYK (Сачдева — Йе — Китаева). Эта модель помогла правильно расчитать линейное сопротивление, но не имела ничего общего с существующими материалами, находящимися в сетке атомов. Соглассно первоночальной модели, все электроны находились в одной точке, где они случайным образом взаимодействовали и запутывались со всеми другими электронами.
В течение последующих нескольких лет Сачдев, Аавишкар Патель и сотрудники Института Flatiron, работали над тем, чтобы привнести пространство в модель SYK. Они работали над распространением электронных взаимодействий по всему пространству, учитывая эффекты “дефектов” в атомной решетке — “Дефекты”, где появлялись дополнительные атомы, которые могли либо пропадать либо появились вновь. Получающийся гобелен из запутанных электронов, имеет линейно возрастающее сопротивление — отличительный признак странного металла. Недавно они также использовали свою модель, для расчета дробового шума. Цифры не совсем соответствуют наблюдениям Чена, но они формируют ту же качественную модель.
“Все тенденции верны”, - сказал Сачдев.
Другие исследователи подчеркивают, что теория остается изменчивой — некоторым неясно, могут ли металлы, столь отличные друг от друга, как листы графена и купратные сверхпроводники, могут иметь достаточно схожий набор дефектов, чтобы обеспечить общие свойства странного металла так, как того требует теория Сачдева и Пателя. Альтернативных теорий предостаточно. Филлипс, например, подозревает, что странные металлы требуют новой теории электромагнетизма, которая не зависит от целых электронов. Си и Бюлер-Пашен, тем временем, потратили почти 20 лет на разработку и исследование теории о том, как квазичастицы растворяются, когда система достигает “квантово-критической точки”, где два разных квантово-механических состояния борются за превосходство. В эксперименте с дробовым шумом они довели свои нанопроволоки как раз до такой критической точки.
Физики пока не пришли к единому мнению о том, почему электрические заряды кажутся “растворяющимися” внутри странных металлов. Даже если они действительно “растворяются”, физики полны решимости выяснить это.
“Если мы действительно думаем, что существует целая категория металлов, которую мы не понимаем, - сказал Нательсон, - важно понять их”.
#Наука #Физика #Новые открытия #Странные Металлы
