大規模なクラスの超伝導材料でユビキタスな量子現象が検出され、未知の組織化原理が粒子の集団的挙動を支配し、エネルギーと情報の拡散方法を決定するという物理学者の間での信念が強まっています。この組織化原理を理解することは、「最も深いレベルでの量子の奇妙さ」への鍵となる可能性があると、新しい実験には関与していないハーバード大学の理論家である Subir Sachdev は述べています。
今日Nature Physicsで報告された調査結果 カナダのシャーブルック大学とフランスの国立強磁場研究所 (LNCMI) で作業しているチームによると、「銅酸化物」と呼ばれるさまざまなセラミック結晶内の電子がエネルギーを可能な限り急速に放散し、明らかに急増しているように見えることが示されています。基本的な量子速度制限に対して。過去の研究、特に Science の 2013 年の論文 、他のエキゾチックな超伝導化合物 - ルテニウム酸ストロンチウム、プニクチド、テトラメチルテトラチアフルバレンなど - も最大許容率と思われる速度でエネルギーを消費することを発見しました.
驚くべきことに、この速度制限はプランク定数の数値に関連しています。これは、自然界で実行可能な最小のアクションを表す量子力学の基本量です。
「それを見ると、非常に深く根本的なものに触れていることがわかります」と、シャーブルックの凝縮物質物理学者であるルイ・タイレファーは言いました。 、および 13 人の協力者。
このエネルギー燃焼挙動は、銅酸塩やその他のエキゾチックな化合物が「奇妙な金属」段階にあるときに発生します。この段階では、従来の金属よりも電気の流れに抵抗します。しかし、それらが臨界温度まで冷却されると、これらの奇妙な金属は完全で無損失の電気伝導体に変化します。物理学者は、この強力な形の超伝導を理解し、制御するために 32 年間奮闘してきました。そして、前の奇妙な金属相における電子の挙動は、物語の重要な部分としてますます見られています.
「これは本当に大きな謎です」と、凝縮物質物理学の分野のリーダーである Sachdev は言いました。
電気のキャリアである電子が奇妙な金属で何をしているのかは正確にはわかっていません。しかし、専門家は、各電子の特性が他のすべての電子の特性に依存する「最大にスクランブルされた」量子状態に組織化されている可能性があると仮定しています。この最大のスクランブリング状態により、電子は互いに散乱し、量子力学の法則が許す限りの速さでエネルギーを拡散させることができます。
このスクランブル状態は、究極の量子ストレンジネスであると Sachdev 氏は述べています。 1930 年代、アルバート アインシュタインは、2 つの粒子が絡み合い、粒子が遠く離れた後も相互依存性を維持するという考えに憤慨しました。 「ここには何百万もの電子のもつれがあり、物質全体の状態につながっています」と Sachdev 氏は言いました。
組織化の原則が道筋になる可能性があります。
スタンフォード大学の理論物理学者である Sean Hartnoll は、次のように述べています。その深い考えを突き止めようとする努力は、ブラック ホール、重力、量子情報理論との驚くべきつながりを明らかにしました。
奇妙な金属
1986 年、IBM Research Zurich の Georg Bednorz と Alex Müller が最初の銅酸塩を合成し、「高温超伝導」として知られるものを発見したとき、彼らは革新的な新しい結晶について奇妙なことに気付きました。デュオが銅酸化物 (ランタン、バリウム、銅、酸素原子でできているもの) を臨界温度に向けて冷却すると、結晶の電気抵抗が温度の低下とともに直線的に減少することを観察したため、プロットすると下降傾向が形成されました。直線。従来の材料では、この関係はより複雑な曲線を形成します。
当時、この観察は、より劇的な結果によって覆い隠されていました。 Bednorz と Müller は、これまで可能だと考えられていたよりも高い臨界温度での超伝導を発見し、すぐに物理学のノーベル賞を受賞し、同様の物質を熱心に探し始めました。当時ニュージャージー州のベル研究所にいた物理学者のジョセフ・オレンスタインは、「それはかなり狂った時代でした。 「その場所はクレイジーだった。」
他の研究室はすぐに、さらに高い温度で超伝導する銅酸塩やその他の化合物を発見しました.それ以来、物理学者は、室温まで電気を超伝導する物質を発見または合成することを夢見てきました。このような材料は、人間の電気インフラストラクチャを大幅に効率化し、磁気浮上式車両に電力を供給して、私たちの生活に革命をもたらす可能性があります.
しかし、より高温の超伝導体を作成するために、物理学者は電子を互いに結合する接着剤を強化し、電子が電荷を容易に伝達できるようにする必要がありました。問題は、研究者が最初にその接着剤が何であるかを理解する必要があったことです.理論は広まりましたが、銅酸化物やその他の高温超伝導体の驚くべき複雑さは、すべての試みを混乱させました.
ベドノルツとミュラーが最初の銅酸化物で観察した神秘的な線形抵抗率は、超伝導が始まる前に他の銅酸化物や材料に現れ続けました。この挙動は、何らかの形で超伝導の根底にあると思われる奇妙な金属相に関連付けられるようになりました。この相は、臨界温度で超伝導に遷移するだけでなく、超伝導状態を破壊するために磁場が使用された場合、低温でも持続します。超伝導相とストレンジメタル相は競合しているように見え、臨界温度がそれらの間の転換点として機能します。臨界温度を引き上げるには、物理学者は両方の段階を理解する必要があります。 「銅酸塩の超伝導温度が高い理由は、超伝導が現れる奇妙な金属相を理解するまで理解できないだろう」と Hartnoll 氏は述べた。
この直線は、「美しく、シンプルで、堅牢な法則」の存在を示している、と Taillefer は述べています。 「シンプルで深い理論的説明が必要です。」
1990 年以降、研究者は線形抵抗率に対する量子的性質の証拠を発見し始めました。その年、ベル研究所のオレンスタインと彼の同僚は、イットリウム バリウム銅酸化物と呼ばれる銅酸化物を研究し、ベドノルツとミュラーのサンプルと同様に、その電気抵抗が臨界温度に向かって冷却されるにつれて直線的に低下することを発見しました。交流電流を使用することで、抵抗の原因である材料内の電子が互いに散乱する速度を測定することができました。彼らは、電子散乱率を温度の関数として表す新しい直線が、基本定数 ħ に驚くほど近い傾きを持っていることを発見しました。 (「h バー」と発音します)、還元プランク定数と呼ばれます。 量子力学では、ħ とりわけ、可能な限り最小のアクションを表します。これは、エネルギー量に時間を掛けたものです。
「当時は面白いと思った」と、現在はカリフォルニア大学バークレー校の教授であり、ローレンス・バークレー国立研究所の上級科学者であるオレンスタイン氏は語った。ブラックホールと情報理論に関連していた完全に説明されていないミステリーである.」
2013 サイエンス 論文と今日の Nature Physics 調査結果は、ストレンジ メタルの電子散乱率を温度に関連付ける直線の傾きが常に同じであることを示しています:ħ .
限界速度
2004 年、オランダの理論家 Jan Zaanen は、この奇妙な現象に「プランク散逸」という名前を付けました。彼は自然で議論した News &Views の記事によると、これらの物質中の電子、および「量子スープ」と呼ばれることもある物質の他のエキゾチックな状態の電子はすべて、エネルギーを放散できる速度の基本的な量子速度の限界に達しています。
「高速道路を走っていて、すべての車が同じ速度で走っている場合、それはエンジンが同じだからではありません。速度制限があるからです」と Hartnoll 氏は言いました。
未知の金属の電子が推定上の速度制限を超える理由を理解するために、理論家はそれがどこから来るのかを突き止めたいと考えています。最良の議論は、速度制限を不確実性原理にまでさかのぼります。これは、1927 年にヴェルナー ハイゼンベルクによって導入された有名な公式であり、世界について持つことができる確実性の量に上限を設けています。自体が持っています。この上限は ħ によって決定されます .
1900 年にマックス プランクによって着想され概算され、後にポール ディラックによって簡略化された形になりました。ħ 量子論全体に現れます。その非常に小さい値は、現在では高い精度で知られていますが、作用の量子単位を表していますが、さらに、ハイゼンベルクが示したように、ħ は不確実性の量子単位です。本質的に避けられない基本レベルのあいまいさです。たとえば、粒子の位置と運動量、または粒子がどれだけのエネルギーをどのくらいの時間保持しているかなど、2 つのことを同時に測定しようとすると、あいまいさが現れます。つまり、位置と運動量の両方を ħ よりも正確に定義することはできません。;エネルギーと時間もできません。どちらかをよく知れば知るほど、もう一方は確実ではなくなります。
仮説は、未知の金属の電子が「不確実性原理と一致するようにできるだけ早く散逸している」可能性があるというものです.Hartnollは説明した.電子は未知の金属の温度に比例した量のエネルギーを持っており、散逸には一定の時間がかかります。ハートノール氏によると、不確実性原理により、時間とエネルギーの両方を任意の精度で定義することはできないため、プランクの散逸は「散逸時間が可能な限り速い場合」に発生する可能性があります。
これは大まかなスケッチにすぎないと彼は認めます。彼と他の理論家は、量子境界をより厳密に証明したいと考えています。これは、銅酸塩のような物質の電子の大群が自然に量子境界に到達する理由を明らかにするのに役立つかもしれません.
過去数年間、Hartnoll、Sachdev、およびその他の理論家は、奇妙な金属のようなスクランブルされた量子粒子のシステムを、1 つの高次元の架空のブラック ホールに数学的に接続する驚くべき「ホログラフィック双対性」を使用して問題に取り組んできました。 (ブラック ホールは、ホログラムのように粒子系から飛び出します。) 驚くべきことに、物理学者は、ブラック ホール (重力が非常に強いため光でさえ逃げることができない、信じられないほど高密度の球形の物体) が、プランクの散逸と同等のことを行い、限界に達することを発見しました。どのくらいの速さで情報をスクランブルできるかについてです。言い換えれば、ブラック ホールと奇妙な金属は、何らかの共通の方法で極限に達します。ホログラフィックの二重性により、研究者はブラック ホールの特性をスクランブル粒子システムの二重特性に変換することができます。彼らは、これにより、未知の金属で電子が何をしているか、競合する超伝導相で何が起こっているか、そして潜在的にどのようにして 2 つの間のバランスを崩し、超伝導をより高い温度まで拡張するかを明らかにすることを望んでいます.
ホログラフィック二重性やその他の方法を使用してスクランブル電子の挙動を研究するにつれて、研究者は進歩の感覚と部分的な洞察を得ています。この分野は概念的なブレークスルーの先端にあると感じている人もいます。 Hartnoll は、プランク散逸現象について、「すぐに理解できると思います」と述べています。
この記事は、Investigacionyciencia.es でスペイン語で転載されました .
