В течение 50 лет физики понимали электрический ток как поток заряженных частиц. Но новый эксперимент показал, что по крайней мере в одном странном материале это понимание перестаёт работать. Комментарий Сохранить статью Прочитать позже
Необычное течение электрического тока через странный класс металлов ставит под сомнение наше классическое представление о частицах, переносящих заряд, — потому что то, что переносит ток через эти металлы, совсем не похоже на электроны.
Введение
После года проб и ошибок Лиян Чен сумел уменьшить толщину металлической проволоки до микроскопической нити, равной половине ширины бактерии кишечной палочки — как раз достаточно тонкой, чтобы через нее мог проходить тонкий электрический ток. Чен надеялся, что эти капли тока помогут разгадать давнюю загадку о том, как заряд перемещается в загадочном классе материалов, известных как странные металлы.
Чен, тогда еще аспирант, и его коллеги из Университета Райса измерили ток, протекающий через их тончайшую металлическую нить. И они обнаружили, что он течет плавно и равномерно. Настолько равномерно, что это противоречило стандартному представлению физиков об электричестве в металлах.
Согласно канону, электрический ток возникает в результате коллективного движения электронов, каждый из которых несет один неделимый заряд. Но абсолютная стабильность тока Чена подразумевала, что он вовсе не состоит из отдельных единиц. Это было похоже на обнаружение жидкости, в которой почему-то отсутствуют отдельные распознаваемые молекулы.
Хотя это может показаться невероятным, именно этого и ожидали некоторые физики от металла, исследованного группой, который, наряду со своими необычными собратьями, очаровывал и ошеломлял физиков с 1980-х годов. «Это очень красивая работа», — сказал Субир Сачдев, физик-теоретик из Гарвардского университета, специализирующийся на странных металлах.
Наблюдение, о котором сообщалось на прошлой неделе в журнале Science, является одним из наиболее очевидных на сегодняшний день доказательств того, что то, что проводит ток через эти необычные металлы, совсем не похоже на электроны. Новый эксперимент усиливает подозрения о том, что в странных металлах возникает новое квантовое явление. Он также дает новые основания для теоретических физиков, пытающихся понять, что это может быть.
«Никто понятия не имеет, откуда берутся эти странные металлы», — сказал Питер Аббамонте, физик из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн. «Раньше это считалось неудобством, но теперь мы понимаем, что в этих веществах обитает материя в другой фазе».
Ключ для купрата
Первое испытание традиционному пониманию металлов произошло в 1986 году, когда Георг Беднорц и Карл Алекс Мюллер потрясли мир физики своим открытием высокотемпературных сверхпроводников — материалов, которые идеально проводят электрический ток даже при относительно высоких температурах. Известные металлы, такие как олово и ртуть, становятся сверхпроводниками только при охлаждении до температуры, близкой к абсолютному нулю. Беднорц и Мюллер измерили электрическое сопротивление в материале на основе меди («купрате») и обнаружили, что оно исчезает при относительно комфортной температуре в 35 кельвинов. (За это прорывное открытие Беднорц и Мюллер всего год спустя получили Нобелевскую премию.)
Физики вскоре поняли, что высокотемпературная сверхпроводимость — это лишь начало загадочного поведения купратов.
Купраты стали вести себя по-настоящему странно, когда перестали быть сверхпроводниками и начали оказывать сопротивление. По мере нагревания всех металлов сопротивление возрастает. Более высокие температуры означают, что атомы и электроны движутся активнее, создавая больше столкновений, вызывающих сопротивление, поскольку электроны переносят ток через материал. В обычных металлах, таких как никель, сопротивление возрастает квадратично при низких температурах — сначала медленно, а затем все быстрее и быстрее. Но в купратах оно возрастало линейно: каждый градус нагревания приводил к одинаковому увеличению сопротивления — причудливая закономерность, которая сохранялась на протяжении сотен градусов и, с точки зрения странности, затмевала сверхпроводящие свойства материала. Купраты были самыми странными металлами, которые когда-либо видели исследователи.
«Сверхпроводимость — это мышь, — сказал Андрей Чубуков, физик-теоретик из Университета Миннесоты. — А слон… это странное поведение металла».
Линейный рост сопротивления поставил под угрозу известное объяснение движения электрического заряда в металлах. Теория «фермиевой жидкости» Льва Ландау, предложенная в 1956 году, поместила электроны в центр всего этого. Она основывалась на более ранних теориях, которые для простоты предполагали, что электроны переносят электрический ток и что электроны движутся в металле подобно газу; они свободно перемещаются между атомами, не взаимодействуя друг с другом.
Ландау предложил способ обработки важного, но сложного факта взаимодействия электронов. Они имеют отрицательный заряд, а это значит, что они постоянно отталкиваются друг от друга. Учитывая это взаимодействие между частицами, электронный газ превратился в своего рода океан — теперь, когда один электрон двигался сквозь электронную жидкость, он возмущал находящиеся рядом электроны. В результате сложной серии взаимодействий, включающих взаимное отталкивание, эти теперь слабо взаимодействующие электроны в конечном итоге стали двигаться группами — в скоплениях, известных как квазичастицы.
Чудо теории ферми-жидкости заключалось в том, что каждая квазичастица вела себя почти точно так же, как если бы это был один фундаментальный электрон. Однако одно существенное отличие заключалось в том, что эти сгустки двигались медленнее или быстрее (в зависимости от материала), чем обычный электрон, фактически действуя как более тяжелые или более легкие частицы. Теперь, просто скорректировав массовые члены в своих уравнениях, физики могли продолжать рассматривать ток как движение электронов, только со звездочкой, указывающей на то, что каждый электрон на самом деле является скоплением квазичастиц.
Главным достижением концепции Ландау стало то, что в обычных металлах она точно описала сложный механизм квадратичного увеличения сопротивления с температурой. Квазичастицы, подобные электронам, стали стандартным способом понимания металлов. «Это есть в каждом учебнике», — сказал Сачдев.
Однако в купратах теория Ландау потерпела сокрушительное поражение. Сопротивление возрастало по прямой линии, а не по стандартной квадратичной кривой. Физики давно интерпретируют эту линию как признак того, что в купратах наблюдается новое физическое явление.
«Вам, по сути, приходится верить, что природа либо подает вам подсказку, либо невероятно жестока», — сказал Грегори Бёбингер, физик из Университета штата Флорида, посвятивший большую часть своей карьеры изучению линейного отклика купратов. «Установить такой невероятно простой и заманчивый «сигнал» и при этом не иметь физического значения — это просто невыносимо».
И купраты были лишь началом. С тех пор исследователи обнаружили множество различных материалов с тем же привлекательным линейным сопротивлением, включая органические «соли Бехгарда» и смещенные листы графена. По мере распространения этих «странных металлов» ученые задавались вопросом, почему теория ферми-жидкости Ландау, казалось, перестает работать во всех этих различных материалах. Некоторые пришли к подозрению, что это происходит потому, что квазичастиц вообще нет; электроны каким-то образом организуются странным новым способом, который скрывает любую индивидуальность, подобно тому, как дискретная природа винограда теряется в бутылке вина.
«Это такое состояние материи, в котором электрон, по сути, не имеет никакой идентичности», — сказал Аббамонте. «Тем не менее, [странный металл] — это металл; он каким-то образом проводит электрический ток».
Но электроны просто так не исчезают. Для некоторых ученых потенциально непрерывный электрический ток — тот, который не разлагается на электроны — слишком радикален. А некоторые странные эксперименты с металлами продолжают соответствовать определенным предсказаниям теории Ландау. Непрекращающиеся споры побудили научного руководителя Чена, Дугласа Нательсона из Университета Райса, вместе с его коллегой Цимяо Си, задуматься о том, как они могли бы более непосредственно изучить структуру заряда, движущегося через странный металл.
«Что я мог бы измерить, чтобы действительно понять, что происходит?» — задался вопросом Нательсон.
Анатомия электричества
Целью команды было изучение тока в необычном металле. Поступает ли он в виде электроноподобных сгустков заряда? Или вообще в виде сгустков? Чтобы это выяснить, они вдохновились классическим методом измерения флуктуаций в потоке — «шумовым эффектом» — явлением, которое можно понять, если представить себе, как может выпадать дождь во время ливня.
Представьте, что вы сидите в машине и знаете из достоверного прогноза погоды, что за следующий час выпадет 5 миллиметров дождя. Эти 5 миллиметров — это как общий электрический ток. Если этот дождь распределить по крыше в виде нескольких крупных капель, то время, когда эти капли достигнут крыши, будет большим; иногда капли будут падать одна за другой, а иногда — с большими промежутками. В этом случае шум от удара будет высоким. Но если те же 5 миллиметров дождя распределить в виде постоянного тумана из мельчайших капель, то вариация времени прибытия — и, следовательно, шум от удара — будет низкой. Туман будет плавно доставлять почти одинаковое количество воды от момента к моменту. Таким образом, шум от удара показывает размер капель.
«Простое измерение скорости появления воды не даст полной картины, — сказал Нательсон. — Измерение колебаний [этой скорости] даст гораздо больше информации».
Аналогично, прослушивание потрескивания электрического тока может рассказать вам о составляющих его фрагментах заряда. Эти фрагменты обычно представляют собой квазичастицы Ландау, подобные электронам. Действительно, запись дробового шума в обычном металле — распространенный способ измерения фундаментального заряда электрона — 1,6 × 10⁻¹⁹ кулонов.
Устройство из странного металла (слева), которое Нательсон и его коллеги использовали для измерения дробового шума, а также увеличенное изображение проволоки, изготовленной Ченом, которая имеет длину всего несколько сотен нанометров и соединяет два больших участка. Поврежденные участки в этих местах — это места, где были прикреплены провода для подачи тока.
Чтобы разобраться в сути электрического тока в необычном металле, команда хотела измерить дробовой шум. Но электронный дробовой шум может быть замаскирован, если электроны перемещаются из-за пульсаций в атомной решетке металла. Чтобы избежать этого, исследователи пропускают ток через настолько короткие провода, что пульсации не успевают повлиять на электроны. Эти провода должны быть наноскопического размера.
Группа решила работать с особым, необычным металлом, состоящим из иттербия, родия и кремния, потому что давний сотрудник Нательсона и Си, Сильке Бюлер-Пашен из Венского технического университета, разработала способ выращивания этого материала в пленках толщиной всего в несколько десятков нанометров. Это решило одну из пространственных проблем.
Затем Чену предстояло выяснить, как взять эти пленки и вырезать из них проволоку длиной и шириной всего в несколько нанометров.
В течение примерно года Чен тестировал различные способы обработки металла, по сути, путем пескоструйной обработки атомами. Но в ходе многочисленных экспериментов он обнаружил, что полученные нанопроволоки подвергаются повреждениям на атомном уровне, которые разрушают характерное линейное сопротивление этого странного металла. После десятков попыток он нашел работающий процесс: он покрыл металл хромом, использовал поток аргона для удаления всего, кроме тонкой линии защищенного хромом металла, а затем удалил хром с помощью ванны с соляной кислотой.
В итоге Чен, успешно защитивший докторскую диссертацию весной и с тех пор работающий в финансовой сфере, создал несколько практически безупречных нанопроводов. Каждый из них имел длину примерно 600 нанометров и ширину 200 нанометров — примерно в 50 раз уже, чем красная кровяная клетка.
Охладив их до низких температур, составляющих несколько градусов Кельвина, исследователи пропустили электрический ток через эти странные металлические нанопроволоки. Они также пропустили ток через нанопроволоки из обычного золота. Ток в золотой проволоке потрескивал так же, как и токи, создаваемые заряженными квазичастицами, — подобно крупным каплям дождя, разбрызгивающимся по крыше автомобиля. Но в этом странном металле ток бесшумно проскальзывал через нанопроволоку, создавая эффект, похожий на почти бесшумное шипение тумана. Наиболее прямолинейное объяснение эксперимента заключается в том, что заряд в этом странном металле не течет в виде частиц размером с электрон.
«Экспериментальные данные убедительно свидетельствуют о том, что квазичастицы теряются в странном металле», — сказал Си.
Однако не все физики полностью убеждены в том, что эксперимент уничтожает квазичастицы Ландау. «Это очень смелое утверждение, — сказал Брэд Рамшоу, физик из Корнельского университета. — Поэтому нужны убедительные данные».
Одним из ограничений эксперимента является то, что группа тестировала только один материал. Тот факт, что уровень дробового шума низок в смеси иттербия, родия и кремния, использованной Ченом, не гарантирует его низкого уровня в других необычных металлах. А единичная аномалия всегда может быть объяснена какой-то плохо изученной особенностью этого материала.
Рамшоу также отметил, что металлы издают всевозможные странные колебания, которые могут искажать шумовые колебания в токе. Чен и его коллеги исключили помехи от более распространенных колебаний, но возможно, что какая-то экзотическая пульсация ускользнула от их внимания.
Тем не менее, Рамшоу считает эксперимент убедительным. «Он сильно мотивирует людей пробовать другие методы, чтобы проверить, согласуются ли они также с отсутствием электронов», — сказал он.
Если не электроны, то что?
Если модель квазичастиц продолжит рушиться, что может прийти ей на смену? Как ток движется вокруг странных металлов, если не в виде электронноподобных зарядовых фрагментов? Описать эту ситуацию непросто, не говоря уже о том, чтобы выразить её в точных математических терминах. «Какую терминологию использовать, — сказал Нательсон, — если вы не собираетесь говорить о квазичастицах?»
Когда физиков начинают расспрашивать об этом, они используют целый ряд метафор для описания того, что происходит, когда исчезают отдельные электроны: они сливаются в запутанный квантовый суп; они застывают в желе; они образуют пенистую массу заряда, плещущуюся вокруг. Филип Филлипс из Урбана-Шампейн сравнивает электроны странного металла с резиной в шине. Когда резина вырастает из дерева, ее молекулы выстраиваются в отдельные нити. Но в процессе вулканизации эти нити превращаются в грубую сеть. Из совокупности отдельных молекул возникает новое вещество. «Вы получаете нечто большее, чем сумма его частей», — сказал он. «Сами электроны не обладают целостностью».
Сильке Пашен из Венского технологического университета и Цимяо Си из Университета Райса почти 20 лет изучали идею о том, что квазичастицы исчезают, когда два квантовых состояния конкурируют за доминирование в металле.
Чтобы выйти за рамки расплывчатых описаний возникновения, физикам необходимо точное математическое описание — еще не открытая теория ферми-жидкости для странных металлов. В начале 1990-х годов Сачдев помог разработать один из таких упрощенных вариантов, модель SYK. Она правильно описывала линейное сопротивление, но не имела никакого отношения к реальным материалам, состоящим из реальной сетки атомов. Во-первых, в ней отсутствовало пространство; все электроны находятся в одной точке, где они случайным образом взаимодействуют и запутываются со всеми другими электронами.
В течение последних нескольких лет Сачдев, Аавишкар Патель из Института Флатирон и их коллеги работали над включением пространства в модель SYK. Они распределяют электронные взаимодействия по пространству, рассматривая эффекты дефектов в атомной решетке — участков, где атомы отсутствуют или появились лишние атомы. Это нагромождение атомных дефектов вызывает случайные вариации во взаимодействии пар электронов и их запутывании. В результате получается линейно возрастающее сопротивление запутанных электронов — характерный признак странного металла. Недавно они также использовали свою методику для расчета дробового шума. Полученные цифры не совсем совпадают с наблюдениями Чена, но формируют ту же качественную картину. «Все тенденции верны», — сказал Сачдев.
Другие исследователи подчеркивают, что теоретическая ситуация остается изменчивой — некоторым неясно, могут ли такие разные материалы, как листы графена и купратные сверхпроводники, иметь достаточно схожий набор дефектов, чтобы проявлять общие свойства странных металлов так, как того требует теория Сачдева и Пателя. Существует множество альтернативных теорий. Филлипс, например, предполагает, что странные металлы требуют возникновения новой формы электромагнетизма, не зависящей от целых электронов. Си и Бюлер-Пашен, тем временем, почти 20 лет разрабатывали и исследовали теорию растворения квазичастиц, когда система находится в «квантовой критической точке», где два разных квантово-механических состояния борются за превосходство. В эксперименте с дробовым шумом они довели свои нанопроволоки именно до такой критической точки.
Хотя физики пока не пришли к единому мнению о том, почему электрические заряды, по-видимому, растворяются внутри странных металлов, или даже растворяются ли они на самом деле, они полны решимости это выяснить.
«Если мы действительно считаем, что существует целая категория металлов, которые мы не понимаем, — сказал Нательсон, — то важно понять их».
Примечание редактора: Институт Флэтайрон финансируется Фондом Саймонса, который также финансирует этот независимый от редакции журнал. Ни Институт Флэтайрон, ни Фонд Саймонса не оказывают никакого влияния на наши публикации. Более подробная информация доступна здесь.
Источник: www.quantamagazine.org
