Учёные ещё на шаг приблизились к пониманию «странных металлов» — они могут стать основой квантовых технологий будущего

Новое теоретическое исследование физиков из Университета Рутгерса раскрывает механизмы работы так называемых «странных металлов» — экзотических материалов, которые могут стать основой для квантовых компьютеров и высокотемпературных сверхпроводников. Учёные предложили свежий взгляд на эксперименты с соединением иттербия, алюминия и бора, известным как Y-ball, что открывает путь к целенаправленному проектированию материалов будущего.

Загадка «странных металлов»: почему классическая физика бессильна

Обычные металлы при экстремальном охлаждении описываются теорией ферми-жидкости, где электроны ведут себя предсказуемо. Однако целый класс материалов, включающий купраты и соединение YbAlB4 (Y-ball), демонстрирует аномальное поведение. Их электрическое сопротивление линейно растёт с температурой даже вблизи абсолютного нуля, что ставит под сомнение фундаментальные представления о проводимости. Это состояние вещества, занимающее промежуточное положение между проводником и диэлектриком, долгое время оставалось одной из главных нерешённых проблем физики конденсированного состояния.

Эксперимент с гамма-лучами: замедленная съёмка квантовых флуктуаций

Международная группа исследователей из США и Японии применила для изучения Y-ball метод мессбауэровской спектроскопии. Учёные облучали материал гамма-лучами, чтобы зафиксировать скорость колебаний его электрического заряда. В стандартном металле электроны перемещаются между атомами с колоссальной скоростью, недоступной для прямого наблюдения этим методом. Однако в «странном металле» Y-ball исследователи смогли засечь изменение заряда за наносекунду — это невероятно быстро для нашего мира, но достаточно медленно, чтобы стать ключом к пониманию квантовых процессов.

Связь со сверхпроводимостью: мост к новым технологиям

Главный практический интерес к «странным металлам» связан с их уникальной способностью переходить в состояние сверхпроводимости при охлаждении. Именно в этом семействе материалов были зафиксированы рекордно высокие критические температуры. Когда сопротивление в таком материале падает до нуля, электрический ток начинает течь квантово-механически синхронизированным образом, без потерь энергии. Это свойство является краеугольным камнем для разработки следующего поколения технологий: от сверхчувствительных медицинских сканеров и сверхбыстрых поездов на магнитной подушке до устойчивых к ошибкам квантовых компьютеров.

Работа с Y-ball — часть многолетней глобальной гонки за пониманием высокотемпературной сверхпроводимости. Открытие этого явления в купратах в 1980-х годах произвело революцию, но механизм, стоящий за ним, до сих пор не имел единой теоретической основы. Каждое новое исследование, подобное этому, приближает научное сообщество к созданию универсальной теории, которая позволит не находить, а конструировать сверхпроводники с заданными свойствами.

Практическое влияние подобных открытий трудно переоценить. Управление квантовыми свойствами «странных металлов» может привести к созданию энергетических сетей без потерь на передачу, компактных термоядерных реакторов и вычислительных систем, решающих задачи, непосильные для современных суперкомпьютеров. Таким образом, фундаментальное исследование колебаний заряда в экзотическом сплаве прокладывает дорогу для технологического скачка, способного изменить целые отрасли промышленности.