Физики использовали теорию струн для моделирования явления высокотемпературной сверхпроводимости.
Аналогично, шеф!: От черной дыры к сверхпроводникам
Образец BSCCO Один из высокотемпературных сверхпроводников - купратов.

На протяжении десятилетий физики пытаются связать воедино две основных теории, описывающих поведение объектов макро- и микромира. Одна из них — общая теория относительности (ОТО) Эйнштейна — объясняет поведение тел с большими массами с точки зрения гравитационных эффектов, обусловленных деформацией пространства-времени. Однако на субатомном уровне, для описания поведения частиц с чрезвычайно малой массой, используются законы квантовой механики.

Мечта физиков — «теория всего», которая охватывала бы любые физические взаимодействия, вне зависимости от размеров изучаемых объектов. Одним из самых популярных кандидатов на роль основы будущей «теории всего» остается теория струн, возникшая в конце 1960-х — начале 1970-х годов.

Теория струн утверждает, что электроны и кварки можно представить как одномерные колеблющиеся струны. Единогласия по поводу жизнеспособности и научности теории струн среди физиков нет, но многие из них признают, что она позволяет дать объяснение явлениям, которые трудно описать с точки зрения других теорий. В этом десятилетии ученые попытались с помощью теории струн построить мост между гравитационной и квантовой механикой, известный как «калибровочно-гравитационная дуальность».

Физики из Массачусетского технологического института (MIT) использовали эту связь для описания определенного физического явления — высокотемпературной сверхпроводимости. Результаты их работы опубликованы в журнале Science. Команда исследователей описала некоторые аспекты поведения купратов — медьсодержащих керамических сверхпроводников. Ученые надеются, что им удастся построить теорию, описывающую и другие материалы, позволяя предсказать их поведение.

В 1986 году физики обнаружили, что купраты демонстрируют сверхпроводимость при относительно высоких температурах — до 135 градусов выше абсолютного нуля. В отличие от большинства материалов, купраты не подчиняются законам Ферми — набору квантово-механических принципов, регулирующих поведение системы на микроскопическом уровне при температурах, близких к абсолютному нулю. Вместо этого они становятся сверхпроводниками. А при температуре немного выше той, при которой купраты начинают демонстрировать сверхпроводимость, они переходят в так называемое состояние «странного металла».

Исследователи из MIT обратили внимание на два свойства, отличающих эти «странные металлы» от жидкостей Ферми. В обычной ферми-жидкости электрическое сопротивление и коэффициент рассеяния электронов пропорциональны квадрату температуры. А в купратах (и других не-ферми-жидкостях) эти величины пропорциональны температуре. И по словам ученых, нет ни одной теории, объясняющей этот факт.

Используя «калибровочно-гравитационную дуальность» — связь между гравитационной и квантовой механикой — исследователи выявили систему-аналог с такими же необычными свойствами, поведение которой можно объяснить с точки зрения гравитационной механики. В данном случае в качестве модели «странного металла» ученые предложили гравитационную систему с черной дырой. «Это математическая абстракция, которая, как мы надеемся, поможет пролить свет на физику системы», — говорит Хон Лю (Hong Liu), руководитель исследования.

Модель позволяет изучить поведение системы при высоких и низких энергиях электронов (Уровень энергии определяется сравнением энергии возбужденного электрона со средней энергией электрона в системе). Выяснилось, что при низких энергиях модель черной дыры демонстрирует те же необычные свойства, что и не-ферми-жидкости (например, купраты).

В частности, когда электрон на самом нижнем из возможных энергетических уровней переходит в возбужденное состояние (например, в результате столкновения с фотоном), результирующее взаимодействие электрона и оставшейся дырки не может быть описано как взаимодействие квазичастиц, т.к. электрон слишком быстро выходит из возбужденного состояния. Пропорциональность коэффициента рассеяния электронов и температуры свидетельствует, что в таких системах электроны возвращаются «на место» намного быстрее, чем в тех, где эта зависимость квадратичная (при одинаковой температуре). Это справедливо как для не-ферми-жидкостей, так и для системы с черной дырой.

Физики выявили ряд соответствий между квантовыми свойствами «странных металлов» и гравитационными свойствами модельной системы с черной дырой. Рассчитав с помощью ОТО характеристики модели, можно перенести результаты на систему «странного металла». Например, напряженность электромагнитного поля в гравитационной системе будет соответствовать электронной плотности в квантовой системе.

Ранее ученые уже пользовались методом калибровочно-гравитационной дуальности для описания некоторых свойств кварк-глюонной плазмы, однако для понимания физики конденсированного состояния такой подход был применен впервые.

Физики рассчитывают, что калибровочно-гравитационная дуальность поможет пролить свет на группу редких соединений, известных как тяжелофермионные металлы, электроны в которых ведут себя так, как если бы их масса была в сотни раз больше обычной. Они также проявляют свойства не-ферми-жидкости, которые характерны для купратов в фазе «странного металла».

По сообщению MIT News