Странные металлы как новое состояние материи

У «странных металлов» есть такое название по определенной причине — эти материалы проявляют некоторые необычные проводящие свойства и, что удивительно, даже имеют нечто общее с черными дырами. Теперь новое исследование охарактеризовало их более подробно и обнаружило, что странные металлы представляют новое состояние вещества.

Так называемые странные металлы отличаются от обычных металлов тем, что их электрическое сопротивление напрямую связано с температурой. Электроны в странных металлах теряют свою энергию настолько быстро, насколько позволяют законы квантовой механики.

Но это еще не все — их проводимость также связана с двумя фундаментальными физическими константами: постоянной Планка, которая определяет, сколько энергии может нести фотон, и постоянной Больцмана, которая связывает кинетическую энергию частиц в газе с температурой этого газа.

Хотя эти свойства хорошо наблюдались на протяжении многих лет, ученым было трудно точно моделировать странные металлы. Таким образом, в новом исследовании физики из Института Флатирон и Корнелльского университета решили создать такую модель, вплоть до абсолютного нуля — ниже, чем минимально возможная температура для материалов.

При этом ученые обнаружили, что странные металлы фактически представляют новое состояние вещества. Оказывается, они существуют между двумя известными фазами вещества — спиновыми стеклами (разбавленные магнитные сплавы) и ферми-жидкостями (квантовая жидкость, состоящая из фермионов)- и исследователи смогли описать их свойства более подробно.

«Это квантово-спиновое жидкое состояние не полностью замкнуто, но оно также не полностью свободно», — говорит автор исследования Ким Ын. «Это вяло-текущее, густое, слякотное состояние. Оно металлическое, но неохотно металлическое, и оно доводит степень хаоса до предела квантовой механики».

Но, возможно, самая странная, самая поразительная вещь в странных металлах заключается в том, что они имеют некоторые схожие свойства с черными дырами.

Эти космические объекты также имеют свойства, которые связаны исключительно с температурой и постоянными Планка и Больцмана, включая количество времени, которое они «звонят» после слияния с другими черными дырами.

Обычно физика электронов в странных металлах слишком сложна для точных расчетов. Здесь задействовано огромное количество частиц, и поскольку электроны имеют тенденцию образовывать квантовые запутывания, их нельзя рассматривать как отдельные объекты.

Ученые преодолели эти препятствия двумя разными способами. Сначала они использовали метод квантового вложения, чтобы выполнить сложные вычисления только для нескольких атомов, а затем обобщить для остальной части системы.

Затем они использовали квантовый алгоритм Монте-Карло, который использует многократную случайную выборку для выполнения вычислений. Вместе эта комбинация помогла физикам лучше понять странные металлы.

Исследователи говорят, что их новая модель странных металлов может помочь понять, как сверхпроводники могут работать при более высоких температурах.

Исследование было опубликовано в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.