Συμπαντικό κβαντικό φαινόμενο που βρέθηκε σε περίεργα μέταλλα

Ένα πανταχού παρόν κβαντικό φαινόμενο έχει ανιχνευθεί σε μια μεγάλη κατηγορία υπεραγώγιμων υλικών, τροφοδοτώντας μια αυξανόμενη πεποίθηση μεταξύ των φυσικών ότι μια άγνωστη οργανωτική αρχή διέπει τη συλλογική συμπεριφορά των σωματιδίων και καθορίζει πώς διαδίδουν ενέργεια και πληροφορίες. Η κατανόηση αυτής της οργανωτικής αρχής θα μπορούσε να είναι το κλειδί για την «κβαντική παραξενιά στο βαθύτερο επίπεδό της», δήλωσε ο Subir Sachdev, θεωρητικός στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ που δεν ασχολήθηκε με τα νέα πειράματα.

Τα ευρήματα, αναφέρθηκαν σήμερα στο Nature Physics από μια ομάδα που εργάζεται στο Πανεπιστήμιο του Sherbrooke στον Καναδά και στο Εθνικό Εργαστήριο για Έντονα Μαγνητικά Πεδία (LNCMI) στη Γαλλία, δείχνουν ότι τα ηλεκτρόνια μέσα σε μια ποικιλία κεραμικών κρυστάλλων που ονομάζονται "cuprates" φαίνεται να διαχέουν ενέργεια όσο το δυνατόν γρηγορότερα, προφανώς αυξάνονται έναντι ενός θεμελιώδους κβαντικού ορίου ταχύτητας. Και προηγούμενες μελέτες, ειδικά μια εργασία του 2013 στο Science , διαπίστωσε ότι άλλες εξωτικές υπεραγώγιμες ενώσεις — ρουθενικά στρόντιο, πνικτίδια, τετραμεθυλοτετραθειοφουλβαλένια και άλλα — καίνε επίσης ενέργεια με αυτό που φαίνεται να είναι ο μέγιστος επιτρεπόμενος ρυθμός.

Εντυπωσιακά, αυτό το όριο ταχύτητας συνδέεται με την αριθμητική τιμή της σταθεράς του Planck, τη θεμελιώδη ποσότητα της κβαντικής μηχανικής που αντιπροσωπεύει τη μικρότερη δυνατή ενέργεια που μπορεί να γίνει στη φύση.

«Όταν το βλέπεις αυτό, ξέρεις ότι αγγίζεις κάτι πολύ, πολύ βαθύ και θεμελιώδες», είπε ο Louis Taillefer, ένας φυσικός συμπυκνωμένης ύλης στο Sherbrooke, ο οποίος διεξήγαγε το νέο πείραμα cuprate με την πτυχιούχο φοιτήτριά του Anaëlle Legros, Cyril Proust του LNCMI. , και 13 συνεργάτες.

Αυτή η συμπεριφορά καύσης ενέργειας εμφανίζεται όταν οι χαλκούδες και άλλες εξωτικές ενώσεις βρίσκονται σε μια φάση «παράξενου μετάλλου», στην οποία αντιστέκονται στη ροή του ηλεκτρισμού περισσότερο από τα συμβατικά μέταλλα. Αλλά όταν ψύχονται σε μια κρίσιμη θερμοκρασία, αυτά τα παράξενα μέταλλα μετατρέπονται σε τέλειους αγωγούς ηλεκτρισμού χωρίς απώλειες. Οι φυσικοί αγωνίζονται εδώ και 32 χρόνια για να κατανοήσουν και να ελέγξουν αυτήν την ισχυρή μορφή υπεραγωγιμότητας και η συμπεριφορά των ηλεκτρονίων στην προηγούμενη φάση του περίεργου μετάλλου θεωρείται όλο και περισσότερο ως βασικό μέρος της ιστορίας.

"Είναι πραγματικά ένα μεγάλο μυστήριο", δήλωσε ο Sachdev, ηγέτης στον τομέα της φυσικής της συμπυκνωμένης ύλης.

Το τι ακριβώς κάνουν τα ηλεκτρόνια, οι φορείς του ηλεκτρισμού, στα περίεργα μέταλλα δεν είναι γνωστό. Αλλά οι ειδικοί υποθέτουν ότι μπορεί να οργανώνονται σε μια «μέγιστα ανακατεμένη» κβαντική κατάσταση, στην οποία οι ιδιότητες κάθε ηλεκτρονίου εξαρτώνται από αυτές του άλλου. Αυτή η κατάσταση μέγιστης σύγχυσης μπορεί να επιτρέψει στα ηλεκτρόνια να διασκορπιστούν το ένα από το άλλο και να διαδώσουν ενέργεια όσο γρήγορα το επιτρέπουν οι νόμοι της κβαντικής μηχανικής.

Αυτή η ανακατεμένη κατάσταση είναι κβαντική παραξενιά στο άκρο, είπε ο Sachdev. Στη δεκαετία του 1930, ο Άλμπερτ Αϊνστάιν σκέφτηκε την ιδέα να μπλέκονται δύο σωματίδια, με ιδιότητες που παραμένουν αλληλεξαρτώμενες ακόμη και όταν τα σωματίδια έχουν ταξιδέψει μακριά το ένα από το άλλο. "Εδώ έχουμε εμπλοκή εκατομμυρίων ηλεκτρονίων που οδηγεί σε μια ολόκληρη κατάσταση της ύλης", είπε ο Sachdev, "έτσι εξερευνούμε πραγματικά τα σύνορα της εμπλοκής."

Μια αρχή οργάνωσης θα μπορούσε να είναι μια διέξοδος.

«Τα πειράματα δείχνουν μια δελεαστική καθολικότητα μεταξύ των υλικών, κάτι που θα περιλάμβανε μια βαθιά ιδέα για την κβαντική μηχανική και τη στατιστική μηχανική», δήλωσε ο Sean Hartnoll, θεωρητικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ. Η προσπάθεια εντοπισμού αυτής της βαθιάς ιδέας έδειξε εκπληκτικές συνδέσεις με τις μαύρες τρύπες, τη βαρύτητα και την κβαντική θεωρία πληροφοριών.

Παράξενα μέταλλα

Το 1986, όταν ο Georg Bednorz και ο Alex Müller της IBM Research Zurich συνέθεσαν το πρώτο cuprate και ανακάλυψαν αυτό που είναι γνωστό ως «υπεραγωγιμότητα υψηλής θερμοκρασίας», παρατήρησαν κάτι περίεργο σχετικά με τον επαναστατικό νέο κρύσταλλό τους. Καθώς το δίδυμο ψύχθηκε το χαλκό τους - αυτό από άτομα λανθανίου, βαρίου, χαλκού και οξυγόνου - προς την κρίσιμη θερμοκρασία του, παρατήρησαν ότι η ηλεκτρική αντίσταση του κρυστάλλου μειώθηκε γραμμικά με την πτώση της θερμοκρασίας, έτσι ώστε όταν σχεδιαζόταν να σχηματίσει μια πτωτική τάση. ευθεία. Για τα συμβατικά υλικά, αυτή η σχέση σχηματίζει μια πιο περίπλοκη καμπύλη.

Εκείνη την εποχή, αυτή η παρατήρηση επισκιάστηκε από το πιο δραματικό αποτέλεσμα. Η ανακάλυψη της υπεραγωγιμότητας από τους Bednorz και Müller σε υψηλότερη κρίσιμη θερμοκρασία από ό,τι θεωρούνταν πιθανή τους κέρδισε γρήγορα το Νόμπελ Φυσικής και ξεκίνησε μια πυρετώδης αναζήτηση για παρόμοια υλικά. «Ήταν μια πολύ τρελή στιγμή», είπε ο Joseph Orenstein, ένας φυσικός που ήταν τότε στο Bell Labs στο Νιου Τζέρσεϊ. "Το μέρος τρελάθηκε."

Άλλα εργαστήρια σύντομα ανακάλυψαν χαλκού και άλλες ενώσεις που υπεραγώγιζαν σε ακόμη υψηλότερες θερμοκρασίες. Από τότε, οι φυσικοί ονειρεύονταν να βρουν ή να συνθέσουν υλικά που υπεραγώγουν τον ηλεκτρισμό μέχρι τη θερμοκρασία δωματίου. Τέτοια υλικά θα μπορούσαν να κάνουν την ανθρώπινη ηλεκτρική υποδομή πολύ πιο αποτελεσματική και θα μπορούσαν να τροφοδοτήσουν μαγνητικά αιωρούμενα οχήματα, φέρνοντας επανάσταση στον τρόπο που ζούμε.

Αλλά για να δημιουργήσουν υπεραγωγούς υψηλότερης θερμοκρασίας, οι φυσικοί έπρεπε να ενισχύσουν την κόλλα που συνδέει τα ηλεκτρόνια μεταξύ τους, επιτρέποντας στα ηλεκτρόνια να μεταφέρουν αβίαστα ηλεκτρικό φορτίο. Το πρόβλημα ήταν ότι οι ερευνητές έπρεπε πρώτα να καταλάβουν ποια είναι αυτή η κόλλα. Οι θεωρίες πολλαπλασιάστηκαν, αλλά η εντυπωσιακή πολυπλοκότητα των χαλκού και άλλων υπεραγωγών υψηλής θερμοκρασίας μπέρδεψε κάθε προσπάθεια.

Με την πάροδο του χρόνου, ένα μέρος της ασαφούς εικόνας ήρθε στο επίκεντρο:Η μυστηριώδης γραμμική ειδική αντίσταση που παρατήρησαν οι Bednorz και Müller στο πρώτο τους cuprate συνέχισε να εμφανίζεται σε άλλα χαλικά και υλικά πριν από την έναρξη της υπεραγωγιμότητας. Αυτή η συμπεριφορά συνδέθηκε με τη φάση του παράξενου μετάλλου που φαίνεται να αποτελεί τη βάση της υπεραγωγιμότητας κατά κάποιο τρόπο. Η φάση όχι μόνο μεταβαίνει σε υπεραγωγιμότητα σε μια κρίσιμη θερμοκρασία, αλλά παραμένει σε χαμηλότερες θερμοκρασίες εάν χρησιμοποιούνται μαγνητικά πεδία για να καταστρέψουν την κατάσταση υπεραγωγιμότητας. Οι φάσεις της υπεραγώγιμης και του παράξενου μετάλλου φαίνεται να ανταγωνίζονται, με την κρίσιμη θερμοκρασία να λειτουργεί ως το σημείο καμπής μεταξύ τους. Για να μετρήσουν την κρίσιμη θερμοκρασία, οι φυσικοί πρέπει να κατανοήσουν και τις δύο φάσεις. «Πιθανότατα δεν θα καταλάβουμε γιατί η υπεραγώγιμη θερμοκρασία στους χαλκούδες είναι υψηλή μέχρι να καταλάβουμε τη φάση του παράξενου μετάλλου από την οποία προκύπτει η υπεραγωγιμότητα», είπε ο Hartnoll.

Η ευθεία γραμμή έδειξε την ύπαρξη «ένα όμορφο, απλό, ισχυρό νόμο», είπε ο Taillefer. "Πρέπει να υπάρχει μια απλή, βαθιά θεωρητική εξήγηση."

Ξεκινώντας το 1990, οι ερευνητές άρχισαν να βρίσκουν στοιχεία κβαντικής φύσης στη γραμμική ειδική αντίσταση. Εκείνο το έτος, ο Orenstein και οι συνεργάτες του στο Bell Labs μελέτησαν ένα χαλκό που ονομάζεται οξείδιο του χαλκού υττρίου βαρίου και διαπίστωσαν ότι, όπως το δείγμα του Bednorz και του Müller, η ηλεκτρική του αντίσταση έπεσε γραμμικά καθώς ψύχθηκε προς την κρίσιμη θερμοκρασία. Χρησιμοποιώντας ένα εναλλασσόμενο ρεύμα, μπόρεσαν να μετρήσουν τον ρυθμό με τον οποίο τα ηλεκτρόνια στο υλικό διασκορπίζονται το ένα από το άλλο, που είναι η πηγή αντίστασης. Ανακάλυψαν ότι η νέα ευθεία γραμμή που αντιπροσωπεύει τον ρυθμό σκέδασης ηλεκτρονίων ως συνάρτηση της θερμοκρασίας είχε μια κλίση εντυπωσιακά κοντά στη θεμελιώδη σταθερά ħ (προφέρεται "h-bar"), που ονομάζεται μειωμένη σταθερά του Planck. Στην κβαντομηχανική, ħ αντιπροσωπεύει, μεταξύ άλλων, τη μικρότερη δυνατή ενέργεια, η οποία είναι μια ποσότητα ενέργειας πολλαπλασιασμένη με ένα χρονικό διάστημα.

«Εκείνη την εποχή σκέφτηκα ότι ήταν ενδιαφέρον», είπε ο Orenstein, ο οποίος είναι τώρα καθηγητής στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Μπέρκλεϋ και ανώτερος επιστήμονας στο Εθνικό Εργαστήριο Lawrence Berkeley, «αλλά δεν είχα συνειδητοποιήσει ότι 30 χρόνια αργότερα θα εξακολουθεί να είναι ένα εντελώς ανεξήγητο μυστήριο που σχετιζόταν με τις μαύρες τρύπες και τη θεωρία της πληροφορίας."

Η Επιστήμη του 2013 χαρτί και η σημερινή Φυσική της Φύσης τα ευρήματα δείχνουν ότι η κλίση της γραμμής που σχετίζεται με τον ρυθμό σκέδασης ηλεκτρονίων με τη θερμοκρασία σε περίεργα μέταλλα είναι πάντα η ίδια:ħ .

Το κβαντικό όριο ταχύτητας

Το 2004, ο Ολλανδός θεωρητικός Jan Zaanen έδωσε σε αυτό το περίεργο φαινόμενο ένα όνομα:Planckian dissipation. Μάλωσε σε μια Φύση Άρθρο News &Views ότι τα ηλεκτρόνια σε αυτά τα υλικά και σε άλλες εξωτικές καταστάσεις της ύλης που μερικές φορές αναφέρονται ως "κβαντική σούπα", όλα φτάνουν σε ένα θεμελιώδες όριο κβαντικής ταχύτητας σχετικά με το πόσο γρήγορα μπορούν να διασκορπίσουν την ενέργεια.

«Αν βρίσκεστε σε αυτοκινητόδρομο και όλα τα αυτοκίνητα κινούνται με την ίδια ταχύτητα, δεν είναι επειδή οι κινητήρες τους είναι πανομοιότυποι. είναι απλώς επειδή υπάρχει όριο ταχύτητας», είπε ο Hartnoll.

Για να καταλάβουν γιατί τα ηλεκτρόνια σε περίεργα μέταλλα ωθούν προς τα πάνω στο υποτιθέμενο όριο ταχύτητας, οι θεωρητικοί θέλουν να καταλάβουν από πού προέρχεται. Το καλύτερο επιχείρημα εντοπίζει το όριο ταχύτητας στην αρχή της αβεβαιότητας, τη διάσημη φόρμουλα που εισήγαγε ο Werner Heisenberg το 1927 που θέτει ένα ανώτατο όριο στην ποσότητα βεβαιότητας που μπορείς να έχεις για τον κόσμο - ή, ισοδύναμα, στην ποσότητα της βεβαιότητας του κόσμου η ίδια κατέχει. Αυτό το ανώτατο όριο καθορίζεται από το ħ .

Σχεδιάστηκε και προσεγγίστηκε από τον Max Planck το 1900 και αργότερα τέθηκε σε μειωμένη μορφή από τον Paul Dirac, ħ εμφανίζεται σε όλη την κβαντική θεωρία. Η εξαιρετικά μικρή του τιμή, γνωστή πλέον με μεγάλη ακρίβεια, αντιπροσωπεύει την κβαντική μονάδα δράσης, αλλά επιπλέον, όπως έδειξε ο Heisenberg, ħ είναι η κβαντική μονάδα της αβεβαιότητας:μια αναπόφευκτη, βασικού επιπέδου ασάφεια στη φύση. Η ασάφεια εμφανίζεται όταν προσπαθείτε να μετρήσετε δύο πράγματα ταυτόχρονα:τη θέση και την ορμή ενός σωματιδίου, για παράδειγμα, ή πόση ενέργεια διαθέτει και για πόσο χρόνο. Με άλλα λόγια, η θέση και η ορμή δεν μπορούν να οριστούν με μεγαλύτερη ακρίβεια από το ħ; ούτε η ενέργεια και ο χρόνος. Όσο καλύτερα γνωρίζετε το ένα, τόσο λιγότερο σίγουρο είναι το άλλο.

Η υπόθεση είναι ότι τα ηλεκτρόνια σε περίεργα μέταλλα μπορεί να «διαχέονται όσο πιο γρήγορα μπορούν σύμφωνα με την αρχή της αβεβαιότητας», εξήγησε ο Hartnoll. Τα ηλεκτρόνια διαθέτουν μια ποσότητα ενέργειας που είναι ανάλογη με τη θερμοκρασία του παράξενου μετάλλου και η διασπορά είναι μια διαδικασία που απαιτεί ορισμένο χρόνο. Ο χρόνος και η ενέργεια δεν μπορούν να οριστούν με αυθαίρετη ακρίβεια λόγω της αρχής της αβεβαιότητας, είπε ο Hartnoll, επομένως είναι πιθανό η διάχυση Planckian να προκύψει «όταν ο χρόνος διασποράς είναι όσο πιο γρήγορος γίνεται».

Είναι απλώς ένα πρόχειρο σκίτσο, παραδέχεται. Αυτός και άλλοι θεωρητικοί θέλουν να αποδείξουν το κβαντικό δεσμευμένο με πιο αυστηρό τρόπο, κάτι που θα μπορούσε να βοηθήσει να διευκρινιστεί γιατί ορδές ηλεκτρονίων σε υλικά όπως ο χαλκός φθάνουν τόσο φυσικά σε αυτό.

Τα τελευταία χρόνια, οι Hartnoll, Sachdev και άλλοι θεωρητικοί επιτίθενται στο πρόβλημα χρησιμοποιώντας μια εκπληκτική «ολογραφική δυαδικότητα» που συνδέει μαθηματικά συστήματα ανακατεμένων κβαντικών σωματιδίων, όπως αυτά σε περίεργα μέταλλα, με φανταστικές μαύρες τρύπες σε μια υψηλότερη διάσταση. (Η μαύρη τρύπα ξεπροβάλλει από το σύστημα σωματιδίων σαν ολόγραμμα.) Αξιοσημείωτα, οι φυσικοί βρίσκουν ότι οι μαύρες τρύπες - απίστευτα πυκνά, σφαιρικά αντικείμενα των οποίων η βαρύτητα είναι τόσο ισχυρή που ούτε το φως μπορεί να διαφύγει - κάνουν το ισοδύναμο της διάχυσης του Πλανκ, φτάνοντας σε ένα όριο σχετικά με το πόσο γρήγορα μπορούν ενδεχομένως να ανακατέψουν πληροφορίες που εμπίπτουν σε αυτά. Με άλλα λόγια, οι μαύρες τρύπες και τα περίεργα μέταλλα φτάνουν στα άκρα με κάποιο κοινό τρόπο. Η ολογραφική δυαδικότητα δίνει τη δυνατότητα στους ερευνητές να μεταφράσουν τις ιδιότητες των μαύρων οπών σε διπλές ιδιότητες των συστημάτων ανακατεμένων σωματιδίων. Ελπίζουν ότι αυτό θα αποκαλύψει τι κάνουν τα ηλεκτρόνια σε περίεργα μέταλλα, τι συμβαίνει στην ανταγωνιστική υπεραγώγιμη φάση και πιθανώς πώς να ανατρέψει την ισορροπία μεταξύ των δύο, επεκτείνοντας την υπεραγωγιμότητα σε υψηλότερες θερμοκρασίες.

Καθώς μελετούν τη συμπεριφορά των ανακατεμένων ηλεκτρονίων χρησιμοποιώντας την ολογραφική δυαδικότητα και άλλες μεθόδους, οι ερευνητές αποκτούν μια αίσθηση προόδου και μερική διορατικότητα. Μερικοί πιστεύουν ότι το πεδίο βρίσκεται σε ένα κατώφλι μιας εννοιολογικής ανακάλυψης. Ο Χάρτνολ είπε για το φαινόμενο της διάχυσης του Πλανκ, «νομίζω ότι μπορεί να γίνει κατανοητό σύντομα».

Αυτό το άρθρο ανατυπώθηκε στα ισπανικά στη διεύθυνση Investigacionyciencia.es .