Logo
Cover

Два физика из Гарвардского университета предложили теорию, которая проливает свет на ранее неизвестные аспекты квантовой физики. В своей работе они представили решеточную модель фермионов, которая описывает планковский металл при низких температурах.

Металлы содержат множество электронов, носителей электрического тока. Когда ученые рассуждают об электрическом сопротивлении металлов, они обычно говорят о том, что происходит, когда поток электронов прерывается или ослабевает из-за рассеяния, вызванного примесями или кристаллической решеткой в металле.

Эта картина, предложенная немецким физиком Паулем Карлом Людвигом Друде в 1900 году, дает возможность вывести электрическое сопротивление из того, сколько времени электроны могут двигаться свободно между последовательными столкновениями. Длительности этого периода, который называют «временем релаксации», обычно хватает на то, чтобы человек, наблюдающий через микроскоп, мог считать электроны в наиболее обычных металлах самостоятельными, подвижными объектами.

Хотя теория, предложенная Друде, применима для большинства металлов, есть и такие, которые демонстрируют иное поведение.

В частности, когда высокотемпературные полупроводники нагреваются выше температуры перехода или когда сверхпроводимость подавляется магнитным полем. В этих необычных металлах время релаксации оказывается очень коротким, что выражается формулой ℏ/(kBT). То есть постоянная Планка, деленная на постоянную Больцмана, умноженную на температуру.

Этот феномен известен как рассеяние Планка, а металлы, которые его проявляют — как планковские. Короткий срок жизни электрона, присущий этим металлам, указывает на то, что отдельные электроны нельзя больше рассматривать как объекты с резкими границами, а их математическое описание становится еще более сложной задачей, пишет Phys.org.

«Что действительно поразительно, так это то, что у разных таких материалов с различной силой взаимодействий электронов (хотя у всех электроны с сильным взаимодействием), числовое значение срока жизни электрона оказывается очень близким к ℏ/(kBT), — объяснил Аавишкар Патель, один из соавторов исследования. — Это значит, что существует универсальная теория, которая описывает все эти „странные металлы“, которые до сих пор ускользали от внимания ученых».

Патель и его коллега Субир Сахдев разработали математически точное квантово-механическое описание этих странных металлов.

Согласно их гипотезе, взаимодействие между электронами не сохраняет импульс, как это обычно происходит в системе с микроскопическими нарушениями, или беспорядком.   

Вдобавок к математически точной модели планковского рассеяния теория Пателя и Сахдева подчеркивает уникальную сигнатуру в спектральной функции электрона, которая является математической величиной, измеряющей число одноэлектронных квантовых состояний, доступных при определенной энергии.

Другой любопытный аспект новой теории в том, что функции квантово-механической волны близко связаны с моделью квантовой запутанности множественных частиц, разработанной в 2015 Сахдевом и его коллегами. Эта теория связана с физикой черных дыр. Если эта идея верна, то существует глубинная связь между этими металлами и черными дырами.

В апреле был представлен первый в истории снимок горизонта событий черной дыры. Хайтек+ рассказывал, что значит это фото для науки и какие перспективы открывает.