Tajemnice dziwnych metali. Co opór elektryczny ma wspólnego z czarną dziurą?
Poznanie prawdziwej natury dziwnych metali jest jednym z największych wyzwań fizyki materii skondensowanej. W ubiegłym roku, używając najnowocześniejszych technik obliczeniowych, naukowcy z Instytutu Flatiron w Nowym Jorku i Uniwersytetu Cornella opracowali pierwszy stabilny model teoretyczny dziwnych metali. Praca opublikowana w "Proceedings of the National Academy of Sciences" głosi, że dziwne metale są nowym stanem materii.
W świecie mechaniki kwantowej opór elektryczny jest produktem ubocznym zderzania się elektronów. Podczas przepływu elektronów przez metal odbijają się one od innych elektronów lub zanieczyszczeń w metalu. Im więcej czasu upływa pomiędzy tymi zderzeniami, tym niższy jest opór elektryczny materiału. W przypadku typowych metali opór elektryczny rośnie wraz z temperaturą, co opisuje skomplikowane równanie. Jednak w nietypowych przypadkach, kiedy np. nadprzewodnik wysokotemperaturowy jest podgrzewany tuż powyżej punktu, w którym przestaje wykazywać nadprzewodnictwo, równanie to staje się dużo prostsze. W dziwnym metalu przewodnictwo elektryczne jest bezpośrednio związane z temperaturą oraz z dwiema podstawowymi stałymi wszechświata - stałą Plancka i stałą Boltzmanna. W związku z tym dziwne metale bywają również nazywane metalami Plancka.
Modele dziwnych metali znane były od dziesięcioleci, ale ich dokładne obliczenie za pomocą istniejących metod okazało się nieosiągalne. Kwantowe splątania pomiędzy elektronami powodują, że fizycy nie mogą traktować elektronów w sposób indywidualny, a sama liczba cząstek w materiale sprawia, że obliczenia stają się jeszcze bardziej zniechęcające.
Naukowcy z amerykańskich ośrodków po pierwsze zastosowali metodę osadzania kwantowego opartą na pomysłach opracowanych na początku lat 90. W tej metodzie, zamiast przeprowadzać szczegółowe obliczenia w całym systemie kwantowym, fizycy wykonują szczegółowe obliczenia tylko na kilku atomach, a resztę systemu traktują w sposób bardziej uproszczony. Następnie zastosowali kwantowy algorytm Monte Carlo (nazwany tak na cześć śródziemnomorskiego kasyna), który wykorzystuje losowe próbkowanie do obliczenia odpowiedzi na problem. Naukowcy obliczyli model dziwnych metali aż do zera absolutnego (minus 273,15 stopnia Celsjusza), nieosiągalnej dolnej granicy temperatur we Wszechświecie. Otrzymany model teoretyczny opisuje dziwny metal jako stan materii graniczący z dwiema wcześniej znanymi fazami materii - izolacyjnym szkłem spinowym i cieczą Fermiego.
Praca ta może pomóc fizykom lepiej zrozumieć fizykę nadprzewodników wysokotemperaturowych. Ma też zaskakujące powiązania z astrofizyką. Podobnie bowiem jak dziwne metale, również czarne dziury wykazują właściwości, które zależą tylko od temperatury oraz stałych Plancka i Boltzmanna. Te analogie dotyczące metali Plancka i czarnych dziur było widać już w przedstawionej rok wcześniej teorii naukowców z Uniwersytetu Harvarda, którzy badali interakcje między elektronami, które zachowują energię, a elektronami, które tego nie robią. Przedstawione w niej kwantowo-mechaniczne funkcje falowe są ściśle związane z funkcjami modelu Sachdev-Ye-Kitaev (SYK). Ten model pozwala przedstawić pełnowymiarowy układ (na przykład czasowo-przestrzenny pomiar czarnej dziury) w małym rozmiarze (czasowo-przestrzennym pomiarze elektronów). Odtworzony model może powtórzyć właściwości czarnej dziury (rozprzestrzenianie się chaosu kwantowego). Oznacza to, że istnieją głębokie fizyczne powiązania między czarnymi dziurami i metalami Plancka.
Ostrożni uczeni nie są skłonni do wyciągania zbyt daleko idących wniosków, ale znalezienie związków fizycznych pomiędzy dwoma tak odległymi w sensie skali zjawiskami, jak oddziaływania cząstek elementarnych i fizyki czarnych dziur, jest niezwykle ekscytującą podpowiedzią, że mogą się tu kryć odpowiedzi na wielkie, może największe pytania współczesnej fizyki.
Mirosław Usidus
