Теория квантовых критических точек получила экспериментальную поддержку

Примерно пять лет назад в Университете Райса была разработана теория для объяснения электрических свойств нескольких классов материалов, включая нетрадиционные сверхпроводники, которая долго была спорной. Недавно были получены экспериментальные данные, находящиеся с ней в согласии.

Впервые теория была предложена в 2006 г. Цимяо Сы (Qimiao Si), профессором физики и астрономии из Университета Райса. Полученные данные являются важным шагом на пути к конечной цели – созданию единого теоретического описания квантового поведения высокотемпературных сверхпроводников и родственных материалов.

«Мы теперь имеем глобальную фазовую диаграмму для систем, содержащих тяжелые фермионы, своего рода путеводитель, который помогает объяснить предсказанное поведение нескольких различных классов материалов, - сказал проф. Сы. – Это важный шаг по дороге к единой теории».

Высокотемпературная сверхпроводимость – одна из наибольших нерешенных загадок современной физики. В середине 1980-х экспериментаторы открыли несколько компаундов, которые проводили ток с нулевым сопротивлением. Эффект наблюдался при очень низких температурах, но все же намного более высоких, чем для традиционных сверхпроводников.

В поисках путей для объяснения высокотемпературной сверхпроводимости физики открыли, что явление принадлежит к большому семейству так называемых эффектов коррелированных электронов.

В таких процессах электроны в сверхпроводнике ведут себя согласованно, как если бы они представляли собой единую сущность, а не большое собрание индивидуумов. Такие процессы имеют критические точки, называемые квантовые критические точки, в которых происходят фазовые превращения. Эти фазовые превращения подобны термодинамическим, однако имеют квантовую природу.

Материалы на границе магнетизма и сверхпроводимости, включая металлы с тяжелыми фермионами и высокотемпературные сверхпроводники, являются образцами систем с критическими квантовыми точками.

В 2001 г. Сы с коллегами предложил теорию для объяснения эффекта коррелированных электронов в системах с тяжелыми фермионами, которая теперь стала доминантной. Их теория «локального квантового критического состояния» предполагала, что и магнетизм, и электронные возбуждения играют роль в появлении квантовых критических точек.

Эксперименты в последнее десятилетие подтвердили роль обоих эффектов. Вдобавок, они показали, что квантовые критические точки разделяются по классам для разных типов материалов, включая несколько несверхпроводников.

«В свете экспериментальных данных возник важный вопрос, могут ли существовать единые принципы для объяснения поведения всех классов квантовых критических точек, которые наблюдались в материалах с тяжелыми фермионами», - сказал проф. Сы.

В 2006 г. он выдвинул новую теорию, преследующую эту цель. Эксперименты, проведенные два года назад, подтвердили, что теоретическая глобальная фазовая диаграмма может объяснить квантовое критическое поведение композитов YRS (ytterbium, rhodium and silicon), являющихся наиболее изученными материалами.

Группа, возглавляемая Силке Пашеном (Silke Paschen) из Венского технологического университета, исследовала новый материал – композит CPS (cerium, palladium and silicon). Оба, YRS и CPS, являются компаундами с тяжелыми фермионами. Однако YRS является композитом уложенных друг на друга двумерных слоев, а CPS имеет трехмерную кристаллическую структуру.

«В YRS коллапс электронных возбуждений встречается при наступлении магнитной упорядоченности, - пояснил Пашен. – В CPS также обнаружился подобный коллапс электронных возбуждений, но внутри упорядоченной фазы».

Чтобы объяснить разницу в наблюдениях, проф. Сы и соавтор, научный сотрудник Рон Ю (Rong Yu), привлекли эффект размерности.

«В системах, подобных YRS, уменьшение размерности усиливает квантовые флуктуации электронов, и это способствует их коллективному поведению, - говорит Ю. – В трехмерных материалах мы обнаружили, что квантовые флуктуации уменьшаются, и это оказывает влияние на квантовую критическую точку и коррелированное поведение в соответствие с теоретическими предсказаниями».

Проф. Сы сказал, что связь между квантовыми критическими точками CPS и YRS является важной для основного вопроса, как классифицировать и объединить квантовые критичности.

                 

Аспиранты Венского технологического университета Ханнес Винклер (Hannes Winkler, слева) и Андрей Сидоренко являются соавторами новой статьи, которая проливает свет на эффект коррелированных электронов в материалах с тяжелыми фермионами