Тайны странных металлов. Какое отношение электрическое сопротивление имеет к черной дыре?
Даже по меркам квантовой механики странные металлы, также называемые новым состоянием или фазой материи, чрезвычайно экстравагантны. Они родственны высокотемпературным сверхпроводникам и имеют на удивление много общего со свойствами черных дыр.
Познание истинной природы странных металлов — одна из самых сложных задач. физика конденсированного состояния. В прошлом году ученые из Института Флэтайрон в Нью-Йорке и Корнельского университета разработали первую стабильную теоретическую модель странных металлов с использованием самых современных вычислительных методов. В работе, опубликованной в Proceedings of the National Academy of Sciences, говорится, что странные металлы новое состояние вещества.
В мире квантовой механики электрическое сопротивление является побочным продуктом столкновения электронов. Когда электроны проходят через металл, они отражаются от других электронов или загрязняющих веществ в металле. Чем больше времени проходит между этими столкновениями, тем ниже электрическое сопротивление материала. Для обычных металлов электрическое сопротивление увеличивается с температурой, которая описывается сложным уравнением. Однако в необычных случаях, когда, например, высокотемпературный сверхпроводник нагревается чуть выше точки, при которой он перестает проявлять сверхпроводимость, это уравнение значительно упрощается. В странном металле электропроводность напрямую связана с температурой и с двумя фундаментальными константами Вселенной — постоянной Планка и постоянной Больцмана. В связи с этим странные металлы также называют Планковские металлы.
Модели странных металлов известны уже несколько десятилетий, но их точный расчет с использованием существующих методов оказался недостижим. между электронами делает физиков неспособными рассматривать электроны по отдельности, а само количество частиц в материале делает расчеты еще более сложными.
Ученые из американских центров впервые применили метод квантового осаждения на основе идей, разработанных в начале 90-х годов.В этом методе вместо проведения подробных расчетов всей квантовой системы физики выполняют подробные расчеты только нескольких атомов и рассматривают остальную часть системы более упрощенным способом. Затем они применили квантовый алгоритм Монте-Карло (названный в честь средиземноморского казино), который использует случайную выборку для расчета ответа на проблему. Ученые рассчитали модель странного металла до абсолютного нуля (минус 273,15 градуса по Цельсию), недостижимого нижнего температурного предела во Вселенной. Полученная теоретическая модель описывает странный металл как состояние материи, граничащее с двумя ранее известными фазами материи — изолирующим спиновым стеклом и ферми-жидкостью.
1. Фазовая диаграмма, показывающая различные состояния вещества в зависимости от температуры T и силы U.
Эта работа может помочь физикам лучше понять физику высокотемпературных сверхпроводников. Он также имеет удивительные связи с астрофизикой. Так же, как странные металлы, также черные дыры они проявляют свойства, зависящие только от температуры и постоянных Планка и Больцмана. Эти аналогии с планковскими металлами уже были видны в теории, представленной годом ранее учеными из Гарвардского университета, которые изучали взаимодействия между электронами, сохраняющими энергию, и электронами, не сохраняющими энергию. Представленные в ней квантово-механические волновые функции тесно связаны с функциями модели Сачдева-Е-Китаева (SYK). Эта модель представляет собой полномасштабную систему (например, пространственно-временное измерение черной дыры) небольшого размера (пространственно-временное измерение электронов). Реконструированная модель может воспроизводить свойства черной дыры (распространения квантового хаоса). Это означает, что существуют глубокие физические связи между черными дырами и металлами Планка.
Осторожные ученые не склонны делать слишком надуманные выводы, но обнаружение физической связи между двумя столь далекими по масштабу явлениями, как взаимодействие элементарных частиц и физика черных дыр, является чрезвычайно захватывающим намеком на то, что, возможно, быть ответами на великие, возможно, величайшие, ответы здесь на вопросы современной физики.
