ひも理論は、自慢の「すべての理論」を作成することを目標に、量子力学の法則と重力の法則を統合する方法として考案されました。
Subir Sachdev は「すべて」を文字どおりに受け取っています。彼はストリング理論の数学を、物理学のもう一方の端にある主要な問題、つまり高温超伝導体として知られる革新的な種類の材料の挙動に適用しています。
これらの材料は、最も有望であり、最も困惑している材料の 1 つです。摩擦のない電流を通すためにほぼ絶対零度 (摂氏 -273.15 度) まで冷却する必要がある通常の超伝導体とは異なり、高温超伝導体は、より快適な条件下で同じ優れた性能を発揮します。最初の高温超伝導体が 1986 年に発見されて以来、物理学者は連続的に高温で超伝導を示す他の材料を発見しており、現在の記録は摂氏 -70 度です。
この進歩は、物理学者がこれらの超伝導体がどのように機能するかを理解していないという事実にもかかわらず発生しました。大まかに言えば、多くの物性物理学者は、電流のキャリアである電子が特定の物質をどのように移動するかを研究しています。銅や金のような通常の導体では、電子は銅や金の原子によって形成された格子を通って流れます。ダイヤモンドのような絶縁体では、電子は留まる傾向があります。超伝導体では、電子は基礎となる原子格子をエネルギー損失なしで移動します。 30 年間、物理学者は、高温超伝導体の電子がどのように振る舞うかを説明する包括的な理論を開発することができませんでした。
特に興味深いのは、温度によって材料の挙動がどのように変化するかということです。特に、温度が下がるにつれて導体がどのように普通から超伝導に移行するかについてです。科学者はこれを「量子相変化」と呼び、2 つの相は転移温度の両側の材料の特性です。
ハーバード大学の凝縮系物理学者である Sachdev は、この課題は規模の問題であると説明しています。典型的な物質の塊には、何兆もの電子が含まれています。これらの電子が互いに相互作用すると (超伝導体の場合のように)、それらを追跡することは不可能になります。物質のいくつかの段階では、物理学者は電子の群れを「準粒子」、つまり個々の粒子のように振る舞う量子励起としてモデル化することで、このスケールの問題を克服することができました。しかし、準粒子戦略は高温超伝導体では機能せず、物理学者はこれらの物質の電子の挙動に集団秩序を課す別の方法を探す必要があります.
2007 年、Sachdev は驚くべき洞察を得ました。彼は、ストリング理論の特定の特徴が、高温超伝導体に見られる電子スープに対応していることに気付きました。それ以来、Sachdev は、高温超伝導体における電子の振る舞いを考える方法を提供するストリング理論のモデルを開発してきました。彼はこれらのアイデアを使用して、彼が興味を持っている材料と共通の特性を持つグラフェン (炭素原子の平らなシート) などの材料を使用した実世界の実験を設計しました。
Science の次の論文で 、彼と彼の共同研究者は、ひも理論から借用した方法を使用して、グラフェンの熱と電荷の流れに関連する実験結果を正しく予測しています。現在、彼は自分の洞察を高温超伝導体自体に適用したいと考えています。
クォンタ マガジン 高温超伝導体の電子がブラックホールとどのように関係しているか、グラフェンでの彼の最近の成功、および凝縮物質物理学の最大の名前がストリング理論アプローチがまったく機能することに懐疑的である理由について、Sachdev と話しました。インタビューの編集および要約版が続きます。
QUANTA MAGAZINE:高温超伝導体の中で何が起こっているのか?
SUBIR SACHDEV:古い材料と新しい材料の違いは、古い材料では、電子が互いに独立して電気を伝導することです。それらは、電子が同時に同じ量子状態を占有することはできず、互いに独立して移動するという排除原理に従います。私や他の多くの人が研究してきた新しい材料では、この独立電子モデルが失敗していることは明らかです。全体像は、それらが協力して動き、特に絡み合っているということです — それらの量子特性はリンクしています.
このもつれにより、高温超伝導体のモデル化は通常の超伝導体よりもはるかに複雑になります。この問題をどのように見ていますか?
一般に、私は物質の量子相の分類を通じてこれに取り組みます。単純な量子相の例は、銀や金のような単純な金属、またはダイヤモンドのような単純な絶縁体です。これらの段階の多くはよく理解されており、私たちの日常生活のいたるところに現れています。高温超伝導体やその他の多くの新素材を発見して以来、量子原理に従って数兆個の電子が互いに相互作用している場合に現れる可能性のある他の物理的特性を理解しようとしてきました。私の心の奥底には、物質の量子相の分類に対するこの広範な攻撃が、高温超伝導体のより深い理解につながるという希望があります.
どこまで進みましたか?
量子相転移の理論の理解には大きな進歩がありました。これには、互いに非常に異なる量子物質の 2 つの相を取り、いくつかのパラメーター (たとえば、結晶への圧力) を調整し、材料が離れたときに何が起こるかを尋ねることが含まれます。あるフェーズから別のフェーズへ。幅広いクラスの量子相転移について、膨大な量の進歩がありました。今では、以前は存在していなかった多くの異なる種類のフェーズを理解しています。
しかし、電子が高温超伝導体でどのように振る舞うかについての完全な理論を開発することは困難でした。なぜですか?
格子内を移動する単一の電子がある場合、電子が占有できるさまざまな位置について心配するだけで済みます。ポジションの数は多いですが、それはほとんどコンピュータで処理できるものです。
しかし、多くの電子について話し始めると、それについて非常に異なった考え方をしなければなりません。これについて考える 1 つの方法は、格子上の各サイトが空または満杯のいずれかであると想像することです。 N と 2 のサイト 、その可能性は想像を絶するほど広大です。この膨大な可能性の中で、電子が行う傾向のある合理的なことを分類する必要があります。一言で言えば、それが難しい問題である理由です.
相転移の話に戻りますが、あなたは高温超伝導体が熱くなりすぎるとどうなるかを研究するのに多くの時間を費やしました。この時点で、それはいわゆる「奇妙な金属」になります。ストレンジ メタルを理解することが、高温超伝導体を理解するのに役立つのはなぜですか?
超伝導体から始めて温度を上げると、超伝導性が消失する臨界温度があります。この温度のすぐ上では、奇妙な金属と呼ばれる種類の金属が得られます。これは、その特性の多くが通常の金属とは大きく異なるためです。ここで経路を逆にして、系の相が臨界温度を下回るとストレンジメタル状態から超伝導状態に変化することを想像してみてください。これが起こる温度を決定しようとするなら、臨界温度の両側の量子状態のエネルギーを比較する必要があります。しかし、奇妙な金属はあらゆる点で奇妙に見え、その物理的特性については最も単純なモデルしかありません.
ストレンジ メタルと他のユニークな量子相との違いは何ですか?
特定の段階では、[量子] 励起は通常、新たに出現した粒子のように振る舞います。それらは準粒子です。内部構造は非常に複雑ですが、外から見ると普通の粒子に見えます。多体状態の準粒子理論は、古い物質で発見されたすべての状態にほぼ適用されます。
奇妙な金属は、準粒子理論が失敗する最も顕著なケースの 1 つです。多体理論のこの基本的なツールが適用されないため、それらを研究するのが非常に難しいのはそのためです。
ストレンジ メタルのように、準粒子を欠く量子相を理解するのに弦理論が役立つかもしれないという考えがありましたね。この状況でひも理論はどのように役立ちますか?
私の見解では、ひも理論は、量子もつれをもつ多数の粒子を理解するための強力な数学的ツールでした。特に、弦理論には、弦の端が表面に張り付いていると想像できる特定の段階があります。表面を移動するアリの場合、糸の端しか見えません。あなたには、これらの端は粒子のように見えますが、実際には、粒子は余分な次元に行く糸によって接続されています.あなたには、表面にあるこれらの粒子が絡み合っているように見えます。粒子を絡ませているのは、余分な次元の紐です。これはもつれを説明する別の方法です。
2つの電子だけでなく、4つ、6つ、または無限に多くの電子を使用して、電子が形成できるさまざまなエンタングル状態を見て、そのプロセスを続けることを想像できます.これは、物質の相の分類と密接に関係しています。これはエンタングルメントの階層的な記述であり、各電子がパートナーを見つけ、ペアが他のペアとエンタングルする、などです。文字列の説明を使用して、この階層構造を構築できます。したがって、何兆もの電子のもつれについて話すための 1 つのアプローチです。
奇妙な金属へのストリング理論のこの適用には、いくつかの興味深い意味があります。たとえば、奇妙な金属とブラック ホールの特性との関係を描くようになりました。ある場所から別の場所に移動するにはどうすればよいですか?
ストリング理論の図式では、[電子の密度を変化させる] は、ブラック ホールに電荷を置くことに相当します。過去 5 年ほどの間、多くの人々がこれを研究してきました — 荷電ブラック ホールの特性から奇妙な金属について理解しようとしています。最近の論文で、格子上を移動する電子の特定の人工モデルを実際に発見しました。このモデルでは、多くの特性が荷電ブラック ホールの特性と正確に一致しています。
私は、フィリップ・アンダーソンが最も影響力のある生きた物性物理学者であると多くの人に考えられていることを読んだ.それが本当かどうか知っていますか?
それは正しいと思います。彼は自分自身、これを信じていないと私に言いましたが、何と言えばいいでしょうか、彼は独自の視点を持つ素晴らしい男です. 2007 年に最初にこのアイデアを提案したとき、それは確かにクレイジーに聞こえました。それ以来、多くの進歩がありました。私は Philip Kim などと共同で新しい論文を作成しました。この論文では、少し奇妙な金属であるグラフェンを使用して、ストリング理論に触発された方法の多くが、実験によって検証された定量的予測につながっていることがわかりました.
これは、これまでのひも理論手法の最高の成功の 1 つだと思います。それは文字通り機能します。正しい数字を得ることができます。しかし、グラフェンは単純なシステムであり、これらの方法が高温超伝導体で機能するかどうかはまだ証明されていません.
アンダーソンがあなたの取ったアプローチに懐疑的である理由について、もっと詳しく教えていただけますか?
ひも理論モデルに戻って実際に見ると、表面的には高温超伝導体に必要な種類のモデルとは大きく異なって見えます。ひも状のモデルとその構成要素を見ると、これらが高温超伝導体の構成要素に関連しているというのはばかげているように見えます。しかし、このモデルが [高温超伝導体] で発見されると文字通り言っているわけではありません。準粒子を持たない物質は振る舞いますが、弦理論は確実に解けるこれらの物質の 1 つの例を提供します。
文字列理論をどの程度文字通り使用していますか?それは直接のアプリケーションですか、それともそこからインスピレーションを得ていますか?
それは物事のインスピレーションの側面に近いです。モデルを解決すると、解決できない可能性のある他のモデルについて多くの洞察が得られます。ひも理論の側に近づいて 6、7 年の研究を経て、私たちは多くのことを学んだと思います。私たちにとって次のステップは、より解決可能なモデルから得たインスピレーションを使用して、より現実的なシステムで作業することです.
ひも理論モデルとグラフェンの研究によって、高温超伝導体の特性を理解できるようになるのはなぜですか?
高温超伝導体の電子密度を変化させると、電子が数個の電子しか移動できないように見える状態から、すべての電子が移動できる状態に変化するという、はるかに劇的な変化があります。電子の量子状態に劇的な変化があると思われる最適密度と呼ばれる特別なポイントがあることを理解しています。そして、この地点のすぐ近くで、奇妙な金属も観察されます。私たちは、量子状態が変化するこの特別な点の微視的理論を解明しようとしています。ストリング モデルは、そのような量子臨界点について多くのことを教えてくれます。完全なフレームワークが完成したら、グラフェンから多くの洞察を得て、このより複雑なモデルに適用できることを期待し、楽観的に考えています。
