Dziwne metale, wielkie implikacje. Przełom w rozumieniu podstawowych praw fizyki

Naukowcy są coraz bliżej rozszyfrowania “dziwnych metali”, czyli klasy materiałów, które są związane z nadprzewodnikami wysokotemperaturowymi i… czarnymi dziurami.
Klasyczne nadprzewodniki wykazują swoje właściwości w niskich temperaturach, nadprzewodniki wysokotemperaturowe także w wysokich
Klasyczne nadprzewodniki wykazują swoje właściwości w niskich temperaturach, nadprzewodniki wysokotemperaturowe także w wysokich

Fizyka całkiem dobrze rozumie, jak temperatura wpływa na przewodnictwo elektryczne w większości metali codziennego użytku, np. miedzi czy srebrze. W ostatnich latach pojawiło się coraz więcej materiałów, które wydają się nie przestrzegać tradycyjnych reguł elektrycznych. Zrozumienie tzw. dziwnych metali może pomóc naukowcom zrozumieć nadprzewodnictwo wysokotemperaturowe i inne zjawiska kwantowe.

Czytaj też: Po raz pierwszy połączono nadprzewodnik z półprzewodnikiem. Rewolucja na horyzoncie?

Zespół fizyków z Brown University odkrył dziwne zachowanie metalu w materiale, w którym ładunek elektryczny jest przenoszony nie przez elektrony, a tzw. pary Coopera. Wyniki opisano w Nature.

Dziwne metale, czyli jakie?

Elektrony należą do klasy cząstek zwanych fermionami, podczas gdy pary Coopera opisuje się jako bozony, które zachowują się w całkiem inny sposób. Teraz po raz pierwszy udało się zaobserwować dziwne metale w układzie bozonowym, co może być przydatne w zrozumieniu, jak te materiały działają.

Mamy tu dwa zasadniczo różne typy cząstek, których zachowania zbiegają się wokół tajemnicy. Mówi to, że każda teoria wyjaśniająca dziwne zachowanie metalu nie może być specyficzna dla żadnego z typów cząstek. Musi być bardziej fundamentalna niż to.prof. Jim Valles z Brown University, autor badań

Dziwne zachowanie metali zaobserwowano po raz pierwszy ok. 30 lat temu w klasie materiałów zwanych miedzianami (zbudowanych z tlenku miedzi). Są one znane jako nadprzewodniki wysokotemperaturowe, co oznacza, że przewodzą prąd elektryczny z zerowym oporem w temperaturach znacznie wyższych niż normalne nadprzewodniki. Miedziany zachowują się jednak “dziwnie” w porównaniu do innych metali.

Tak wygląda dziwny metal pod mikroskopem elektronowym

Wraz ze wzrostem temperatury opór miedzianów rośnie w sposób liniowy. W klasycznych metalach opór wzrasta tylko do pewnego punktu, osiągając stałą wartość w wysokich temperaturach (zgodnie z teorią cieczy Fermiego). Dziwne metale nie stosują się do zasad cieczy Fermiego i fizycy nie wiedzą, czym to jest spowodowane.

Aby zrozumieć, co dzieje się w tych dziwnych metalach, ludzie zastosowali matematyczne podejście podobne do tego, które wykorzystuje się do zrozumienia czarnych dziur. Tak więc w tych materiałach dzieje się jakaś bardzo fundamentalna fizyka.prof. Jim Valles

Klucz do nadprzewodnictwa

W 1952 r. Leon Cooper (laureat Nagrody Nobla) odkrył, że w zwykłych nadprzewodnikach elektrony łączą się w tzw. pary Coopera, które mogą bez oporu przesuwać się przez siatkę atomową. Mimo że pary Coopera tworzą dwa elektrony (formalnie fermiony), mogą zachowywać się jak bozony.

Układy fermionowe i bozonowe zazwyczaj zachowują się zupełnie inaczej. W przeciwieństwie do pojedynczych fermionów, bozony mogą dzielić ten sam stan kwantowy, co oznacza, że mogą poruszać się kolektywnie, jak cząsteczki wody w falach.prof. Jim Valles

W 2019 r. zespół Vallesa wykazał, że pary Coopera mogą wykazywać zachowania metaliczne – przewodzić prąd elektryczny z pewnym oporem. To zaskakujące odkrycie, bo podstawy mechaniki kwantowej sugerowały, że takie zjawisko nie powinno być możliwe. Teraz zespół prof. Vallesa postanowił przyjrzeć się dziwnym metalom.

Wyzwaniem dla teoretyków było wymyślenie wyjaśnienia tego, co widzimy w dziwnych metalach. Nasza praca pokazuje, że jeśli zamierzasz modelować transport ładunków w dziwnych metalach, model ten musi mieć zastosowanie zarówno do fermionów jak i bozonów – nawet jeśli te typy cząstek kierują się zasadniczo różnymi regułami.prof. Jim Valles

Fizycy są przekonani, że to właśnie dziwne metale skrywają sekret nadprzewodnictwa wysokotemperaturowego, które ma ogromny potencjał w elektronice, np. do budowy bezstratnych sieci energetycznych i komputerów kwantowych.