Измерения на сверхпроводящем материале показывают резкий переход между нормальным металлом и «странным» металлом. Однако действительно странная вещь заключается в том, что эта резкость исчезает при падении температуры. «У нас нет никаких теоретических механизмов для этого, — говорит физик-теоретик Ян Заанен, соавтор научной статьи, — это то, что может рассчитать только квантовый компьютер».
Сверхпроводники преподносят сюрпризы уже более века. В 1911 году Хейке Камерлинг Оннес в Лейдене обнаружил, что ртуть будет проводить электрический ток без какого-либо сопротивления при температуре 4,2 Кельвина (4,5 градуса выше абсолютного нуля или -273,15 градуса Цельсия).
Это явление было объяснено только в 1957 году, а в 1986 году был обнаружен новый тип сверхпроводимости в сложных оксидах меди. Эта высокотемпературная сверхпроводимость сохраняется даже при температуре в 92 Кельвина.
Если бы ее можно было распространить на комнатную температуру, сверхпроводимость означала бы беспрецедентные технологические применения, но пока это явление уклонилось от полного объяснения. Это не из-за недостатка усилий физиков, таких как Ян Заанен, с группой физиков-экспериментаторов из Стэнфорда, опубликовавших статью в журнале Science.
Странный металл
«Полагаю, это произведет впечатление», — пишет Заанен о публикации. «Даже для научных стандартов это не заурядная статья».
С 1957 года известно, что сверхпроводимость вызвана электронами, образующими пары, которые могут беспрепятственно проходить через кристалл. Это происходит только ниже критической температуры, Tc.
Однако даже выше этой температуры высокотемпературные сверхпроводники демонстрируют странное поведение. В этой странной металлической фазе электроны ведут себя не как независимые частицы, как в обычных металлах, а как коллективные.
Ученые из Стэнфордского университета исследовали переход между нормальным и странным в сверхпроводящем оксиде меди Bi (2212), используя метод ARPES (угловая фотоэмиссионная спектроскопия). В ARPES интенсивный ультрафиолетовый свет направлен на образец, несущий энергию, которая может выбрасывать из него электроны. Энергия и скорость таких выброшенных электронов выдают поведение электронов в образце.
Кипящая вода
Помимо температуры, параметр легирования имеет решающее значение. Изменяя точную химию материала, можно изменять число свободно движущихся носителей заряда, что влияет на свойства.
При относительно высоких температурах, чуть выше максимально возможного значения Tc, переход между нормальным и странным металлом происходит между процентами легирования 19 и 20 процентов.
На этом переходе физики показывают, что распределение энергии электронов резко меняется. Такие разрывные переходы распространены в физике. Пример — кипящая вода: при переходе из жидкой воды в пар плотность делает гигантский скачкообразный скачок.
Но самое странное, что в этом случае разрыв исчезает, когда температура опускается в сверхпроводящую область: резкость сглаживается, и свойства внезапно непрерывно меняются.
«Так что же происходит? Согласно общему физическому принципу, прерывистое поведение при высоких температурах должно было бы перерасти в прерывистый переход при низких температурах», — говорит Заанен. «Тот факт, что этого не происходит, противоречит каким-либо расчетам до настоящего времени. Полный теоретический механизм подводит нас».
Это также означает, что так называемый квантово-критический переход, любимый среди объяснений, может быть выброшен в мусорный ящик, поскольку он предсказывает непрерывное поведение ARPES-сигнала при изменении легирования.
По словам Заанена, все это является четким свидетельством того, что странная металлическая фаза является следствием квантовой запутанности. Это запутывание квантово-механических свойств частиц, которое также является важным компонентом для квантовых компьютеров.
Квантовые компьютеры
Следовательно, считает Ян Заанен, такое поведение можно удовлетворительно рассчитать только с помощью квантового компьютера.
Даже больше, чем взлом кодов безопасности или вычисление молекул, странный металл — это идеальный тестовый пример, где квантовые компьютеры могут показать свои преимущества по сравнению с обычными компьютерами.
Мораль этой истории, говорит Ян Заанен, заключается в том, что происхождение самой сверхпроводимости все чаще становится побочной проблемой.
«После тридцати лет появляется все больше свидетельств того, что высокая Tc-сверхпроводимость указывает на радикально новую форму материи, которая определяется последствиями квантовой запутанности в макроскопическом мире».
Su-Di Chen et al. Incoherent strange metal sharply bounded by a critical doping in Bi2212, Science (2019). DOI: 10.1126/science.aaw8850