Поведение так называемых «странных металлов» долгое время озадачивало ученых, но группа исследователей из Университета Торонто может быть на шаг ближе к пониманию этих материалов. Электроны — это дискретные субатомные частицы, которые текут по проводам, как молекулы воды по трубе. Этот поток известен как электричество, и он используется для питания и управления всем, от лампочек до Большого адронного коллайдера.
Напротив, в квантовой материи электроны ведут себя не так, как в обычных материалах. Они намного сильнее, и четыре основных свойства электронов — заряд, спин, орбита и решетка — переплетаются, что приводит к сложным состояниям материи.
«В квантовой материи электроны теряют свой частицеподобный характер и проявляют странное коллективное поведение», — говорит физик по конденсированным веществам Арун Парамеканти, профессор физического факультета Университета Техаса на факультете искусств и наук. «Эти материалы известны как нефермиевские жидкости, в которых нарушаются простые правила».
Теперь трое исследователей из физического факультета университета и Центра квантовой информации и квантового управления (CQIQC) разработали теоретическую модель, описывающую взаимодействия между субатомными частицами в нефермиевских жидкостях. Эта структура расширяет существующие модели и поможет исследователям понять поведение этих «странных металлов».
Их исследование было опубликовано в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS). Ведущий автор — к.ф.-м.н. студент Эндрю Харди с соавторами Парамеканти и научным сотрудником Ариджитом Халдаром.
«Мы знаем, что поток такой сложной жидкости, как кровь, по артериям понять гораздо сложнее, чем поток воды по трубам», — говорит Парамеканти. «Точно так же поток электронов в нефермиевских жидкостях гораздо сложнее изучать, чем в простых металлах».
Харди добавляет: «Мы построили модель, инструмент для изучения поведения неферми-жидкости. И, в частности, для изучения того, что происходит при нарушении симметрии, когда происходит фазовый переход в новый тип система».
«Нарушение симметрии» — это термин, используемый для описания фундаментального процесса, происходящего во всей природе. Симметрия нарушается, когда система — будь то капля воды или вся вселенная — теряет свою симметрию и однородность и становится более сложной.
Например, капля воды симметрична независимо от ее ориентации — поверните ее в любом направлении, и она будет выглядеть одинаково. Но его симметрия нарушается, когда он претерпевает фазовый переход и замерзает в кристалл льда. Как и снежинка, она по-прежнему симметрична, но только в шести разных направлениях.
То же самое произошло со всеми субатомными частицами и силами после Большого взрыва. При взрывном рождении космоса все частицы и все силы были одинаковыми, но нарушение симметрии немедленно преобразовало их в многообразие частиц и сил, которые мы видим сегодня в космосе.
«Нарушение симметрии в неферми-жидкостях изучать гораздо сложнее, потому что не существует комплексной основы для работы с неферми-жидкостями», — говорит Харди. «Описать, как происходит это нарушение симметрии, сложно».
В нефермиевской жидкости взаимодействия между электронами становятся намного сильнее, когда частицы находятся на грани нарушения симметрии. Как и в случае с мячом, зависшим на вершине холма, очень легкий толчок в ту или иную сторону отправит его в противоположные стороны.
Новое исследование дает представление об этих переходах в нефермиевских жидкостях и может привести к новым способам настройки и управления свойствами квантовых материалов. Хотя эта работа по-прежнему представляет собой серьезную проблему для физиков, она важна для новых квантовых материалов, которые могут сформировать следующее поколение квантовых технологий.
Эти технологии включают высокотемпературные сверхпроводники, которые достигают нулевого сопротивления при температурах, намного близких к комнатной температуре, что делает их гораздо более практичными и полезными. Существуют также графеновые устройства — технологии, основанные на слоях атомов углерода толщиной в один атом, которые имеют множество электронных применений.
«Квантовые материалы демонстрируют как необычный поток электронов, так и сложные типы нарушения симметрии, которые можно контролировать и настраивать», — говорит Харди. «Нам интересно иметь возможность делать теоретические предсказания для таких систем, которые можно проверить в новых экспериментах в лаборатории».
