В середине 80-х наука на мгновение потеряла дар речи. Не из-за политики или денег, а потому что некоторые новые материалы вдруг начали проводить электричество без какого-либо сопротивления при высоких температурах.
Высокотемпературная сверхпроводимость. Та самая, что позволяет левитировать поезда и обещает электрические сети без потерь. Газеты сошли с ума. Нобелевскую премию вручили практически мгновенно. Все хотели прикоснуться к этому чуду.
Но прямо посреди ажиотажа все проигнорировали странную маленькую «ошибку» в системе. Даже когда эти материалы не были сверхпроводящими — когда они были слишком горячими для этого фокуса — они всё равно вели себя странно. Плохо. Иррационально. Сопротивление не подчинялось известным правилам.
Это явление назвали «поведением странных металлов».
Прошло 40 лет. Мы по-прежнему не до конца понимаем, почему работают высокотемпературные сверхпроводники. Святой Грааль — материал, сверхпроводящий при комнатной температуре — мы так и не нашли.
Но та странная «ошибка»? Она никуда не делась. Она становится громче. Физики всматриваются в неё и осознают: приходится выбрасывать почти все свои предположения о том, как течёт ток. От квантовой «суповидной» материи до физики чёрных дыр — теперь всё на столе.
И парадоксально, но путь к разгадке сверхпроводимости может лежать именно через понимание этой сломанной, странной проводимости. «В этом точно есть что-то важное», — говорит Субир Сачдев из Гарварда, один из ведущих теоретиков в этой запутанной сфере.
Ложь Ландау
Давайте посмотрим, как, по учебникам, должно работать понимание металлов.
В металлах есть электроны. Маленькие отрицательно заряженные «шарики». Их миллионы. Возьмём обычный бытовой провод. В одном сантиметре его длины содержится примерно столько же свободных электронов, сколько зёрен песка на вашем любимом пляже.
Присоединяем батарейку. Минус отталкивает, плюс притягивает. Шарики бегут по проводу. Ток.
Так нас учат в школе. Но настоящие физики? Они используют более хитрый трюк, придуманный Львом Ландау в 1950-х: квазичастицы.
Представьте стадион. Толпа делает «волну». Отдельные люди просто встают и садятся. Но волна движется.
В материалах движется не голый электрон. Это квазичастица. Возбуждение. Коллективная рябь, возникающая из-за того, как взаимодействуют все внутренние частицы. Она проходит сквозь металл, словно призрак, одетый в одежду электрона.
Это работает безупречно.
Квазичастицы рассеиваются, как бильярдные шары. Математику легко рассчитать. Семьдесят лет эта модель предсказывала всё верно. Теплоёмкость? Да. Магнитная восприимчивость? Да. Электрическое сопротивление? Точно в точку.
«Вся электронная индустрия», — подчёркивает Сачдев, — «включая айфон в вашем кармане, основана на идее, что физика — это просто взаимодействие отдельных объектов».
Так почему же она дала сбой в 80-х?
При комнатной температуре атомные колебания сталкивают квазичастицы, создавая сопротивление. Охлаждаем? Колебания затухают. Но квазичастицы должны всё равно сталкиваться друг с другом.
В новых материалах столкновения прекращались совсем при температурах, где они очевидно не должны были прекращаться.
А до того, как они остановились полностью, в зоне перехода? График сопротивления был неверным.
Линейная линия из ада
Обычно при низких температурах сопротивление подчиняется квадратичному правилу.
Удвойте температуру? Сопротивление вырастет в четыре раза. Это интуитивно понятно. Две вещи зависят от температуры: количество доступных столкновений и пространство, в котором электроны могут «спастись». Температура в квадрате.
Постройте график? Получите изогнутую линию, устремлённую вверх.
Постройте график для странных металлов? Получите прямую линию.
Прямую. То есть. Линейную.
Это озадачивало всех. Не существует простой механики квазичастиц, которая давала бы линейную зависимость от температуры. Ушедший из жизни физик Джозеф Полчински назвал это «проводником из ада».
«Не существует ни оператора, ни процесса, которые могли бы дать вам это», — писал Полчински.
Некоторые хотят сохранить всё простым. Медь же линейна при комнатной температуре, верно? Да, потому что тепловые колебания сильнее трясут кристаллическую решётку. Простая причина. Простой эффект. В прошлом году Эрик Хеллер и его команда из Гарварда утверждали, что странные металлы, возможно, делают именно эту экстремальную тряску.
Но данные говорят «нет». В низкотемпературном диапазоне, где и проявляется это странное поведение, колебания замерзают. Механизм не подходит.
Шёпот стаи
Может быть, дело в коллективном разуме.
Стивен Хейден из Бристольского университета считает, что электроны странных металлов застряли вблизи фазового перехода. Вы знаете, как материал превращается из немагнитного в магнитный, когда атомные спины выстраиваются в ряд? На самой грани, где порядок встречается с хаосом, электроны образуют мимолётные вихревые паттерны.
Как murmuration (мура) удодов. Птицы двигаются как единая жидкость. Нет лидера. Ни одна птица не решает, куда полетит стая. Только массовое поведение.
В этом турбулентном состоянии критических флуктуаций сопротивление линейно зависит от температуры.
«Возможно, это флуктуации», — говорит Хейден, — «которые и создают сопротивление».
В этом году команда Хейдена использовала нейтронный пучок в лаборатории Радерфорда-Апплтона. Нейтроны имеют спин, но не имеют заряда, что делает их идеальными «шпионами» для наблюдения за флуктуациями спина электронов, не вмешиваясь в процесс.
Что они обнаружили? Дрожание спинов электронов точно совпадало с температурой. В идеальной синхронизации. Это стало одним из сильнейших доказательств того, что поведение странных металлов обусловлено коллективным квантовым хаосом, а не столкновением отдельных частиц.
Но вот в чём подвох. Если стаю создаёт сопротивление, кто с кем сталкивается?
Квазичастицы? Ушли. Частицы? Бесполезны. Для сопротивления нужны индивидуальные столкновения. Или нам так казалось. Если это коллективный танец, что именно мы измеряем, когда говорим о сопротивлении?
Хак с чёрными дырами
В 90-х Сачдев и Цзинуэ Йе придумали мысленный эксперимент. Представьте вселенную без пространства. Просто одна точка. Каждый электрон связан с каждым другим электроном.
В этой упрощённой модели электричество затухает только в зависимости от температуры. Пространственное расстояние не требуется.
Скептики смеялись: «Субир снова развлекается?»
Два десятилетия модель собирала пыль, пока в клуб странных материалов входили новые представители. Купраты. Железные пниктиды в 2009 году. Скрученные слои графена. Никелаты — недавно.
Все они демонстрировали линейное сопротивление. Все противорачивали стандартным объяснениям физики.
Затем теория струр похитила все лавры.
В конце 90-х физики нашли голографические математические трюки. Они обнаружили, что можно описать всё, что происходит в 3D-пространстве, используя физику, отображённую на его 2D-границе. Даже чёрные дыры. Всё, что затянуто в пустоту, идеально закодировано на горизонте событий.
Шон Хартнолл и другие из Кембриджского университета начали играть с этим в конце 00-х. Они поняли, что могут отобразить электрический ток странных металлов на эту голографию чёрных дыр. Ток ведёт себя как свет, теряющий импульс при столкновении с горизонтом.
Никто не думал, что лабораторный материал — это чёрная дыра.
Но в 2015 году Алексей Китаев показал, как старая модель точки Сачдева и Йе соотносится с голографическими принципами. Вдруг теоретики бросились обнимать «модели SYK». Статья превратилась из пыльного раритета в объект сотен цитат в год.
SYK предсказывала больше, чем просто линейное сопротивление.
Она предсказывала, что потеря импульса зависит только от двух вещей: температуры и постоянной Планка. Универсальной постоянной, которая управляет квантовым масштабом.
Химический состав? Неважно. Тип материала? Неважно. Всё упирается в квантовый предел скорости. Фундаментальную стену.
Будто электричество перестало заботиться, из чего сделан металл. Оно становится «квантовым супом».
Это выносит козыри из-под наших ног. Десятилетиями макроскопическая реальность безопасно покоилась на микроскопических частицах. Уберите частицы, и вся конструкция рухнет.
Если только… ей вообще не нужны частицы.
Тишина тока
Как проверить гипотезу о «супе»?
Пропустить через него ток и прислушаться.
Маленькие электрические всплески называются «дробовым шумом». Представьте дождь на крыше. Если ток несётся отдельными частицами, как капли дождя, он цокает. Даже при низких значениях статистическая природа капель означает, что сигнал будет шипеть.
Если ток — это текучий суп? Никаких капель. Никакого шипения. Только гладкий, тихий поток.
«В „суповых“ ситуациях дробовой шум практически равен нулю», — говорит экспериментатор Дуг Натерсон из университета Райса.
В 2023 году его группа попробовала. Они пропустили ток через ультрачистые провода из странных металлов.
Результаты?
Шипение было. Но оно было очень тихим. Гораздо меньше, чем ожидалось. Но не нулевым. Не чистый суп. Суп с сухариками? Возможно.
«Это действительно интересно».
Натерсон признаёт, что данные запутаны. Другие лаборатории, такие как группа Анинды Даса в Индийском институте науки, сейчас проводят повторные эксперименты.
Некоторые теоретики видят в уменьшенном шипении доказательство смерти модели квазичастиц. Другие утверждают, что мимолётные паттерны (стаи удодов) могут имитировать профиль низкого шума.
Вопрос остаётся открытым.
Это возвращает нас в точку старта 80-х, но с гораздо более грубыми инструментами и гораздо меньшим доверием к законам природы. Мы думали, что электричество — это просто. Частицы движутся. Батарейки толкают.
Теперь мы, возможно, должны признать, что электричество в странных местах — это что-то другое. Состояние, которое мы ещё не назвали.
Мечта 1980-х заключалась в передаче без потерь. Бесплатная энергия. Левитирующие поезда. Вместо этого мы получили странный металл.
И, честно говоря, это нормально. Загадка — это обычно то место, где прячется прогресс. Мы просто ещё не перевернули страницу.
