Теорию квантовой критичности укрепили очевидными доказательствами

Новое исследование добавило данных в поддержку теории, согласно которой странные поведения электронов, включая высокотемпературную сверхпроводимость и физику тяжелых фермионов, следуют из квантовых колебаний сильно коррелированных электронов.

Работу выполнили физики из университета Райса, университета Чжэцзяна, Национальной лаборатории в Лос-Аламосе, университета штата Флорида и института Макса Планка. Результаты опубликованы в издании Proceedings of the National Academy of Sciences.

Исследование описывает следствия ряда экспериментов, проведенных на слоистом композите церия, родия и индия. В ходе экспериментов было впервые проверено предсказание из теории происхождения квантового критического состояния, которая была опубликована физиком Ци Мао Си с коллегами из университета Райса в 2001 году.

«Наша теория в момент ее появления казалась нереальной, поскольку она шла в разрез с учебниками и предполагала, что множество явлений, включая высокотемпературную сверхпроводимость, можно объяснить терминами коллективного поведения сильно коррелированных электронов, а не более знакомой теорией, основанной на в большей степени расцепленных электронах», сообщил соавтор исследования Си.

За прошлые 10 лет экспериментальных данных в поддержку новой теории стало больше, и новое исследование заполнило еще один пробел. В экспериментах ученые исследовали высококачественные образцы тяжелофермионного материала, известного как CeRhIn5.

Тяжелофермионные материалы наподобие CeRhIn5 являются прототипами систем квантовой критичности. В этих материалах электроны действуют в унисон, и даже один электрон, перемещающийся через систему, вызывает мощный эффект. Поведение коррелированных электронов весьма отличается от взаимодействия электронов в металлах наподобие меди, и физики все больше убеждаются, что поведение коррелированных электронов играет важную роль в таких явлениях как квантовая критичность и сверхпроводимость.

Квантовые критические точки, около которых особенно часто бывают замечены данные явления, отмечает мягкую смену фазы или переход из одного состояния вещества в другое. Подобно тому, как таяние льда включает переход из твердого в жидкое состояние, электронное состояние квантовых материалов меняется, когда материал охлаждается до квантовой критической точки.

Критическая температура материала может повышаться или снижаться, если материал меняется химически, подвергается высокому давлению или помещен под воздействие сильного магнита. В новых экспериментах, проводимых в условиях мощного магнитного поля на установках Национальной лаборатории в Лос-Аламосе, исследователи наблюдали магнитно индуцированную квантовую критическую точку в условиях окружающего давления, и сравнили состояние с ранее исследованными случаями индуцированной давлением квантовой критической точки.

Природа квантовой критической точки исследовалась с помощью поверхности Ферми — своего рода трехмерной карты, которая демонстрирует коллективные энергетические состояния всех электронов в материале. Когда физики ранее попытались описать переходы квантовой фазы с помощью традиционных теорий, согласно уравнениям поверхность Ферми должна меняться мягко и постепенно, пока материал проходит критическую точку. В этом случае большинство электронов на поверхности Ферми все еще слабо соединяется друг с другом попарно.

Напротив, теория Си предсказывает, что в критической точке поверхность Ферми подвергается радикальному и мгновенному изменению. Электроны на всей поверхности Ферми становятся строго спаренными, усиливая странные металлические свойства, которые допускают необычные электронные состояния, включая сверхпроводимость.

«Мы определенно наблюдали вид четкой реконструкции поверхности Ферми, предсказанный теорией нетрадиционной квантовой критичности», сообщил соавтор исследования Фрэнк Стеглич, директор института химической физики твердых тел Макса Планка в Дрездене, Германия.

«Наши эксперименты показали, что прямые измерения поверхности Ферми могут характеризовать теоретически предложенные модели квантовой критичности и указывают на универсальное описание квантовых фазовых переходов», заключил физик И Ци Юань из университета Чжэцзяна.