Американські фізики створили решіткову модель, в якій їм вдалося відтворити реальну температурну залежність питомого опору дивних металів. На відміну від звичайних металів, в їх дивних аналогах, які також називають планківськими, опір пропорційний температурі поблизу абсолютного нуля. Домогтися опису цього явища дослідникам вдалося за допомогою моделювання переходів між трьома станами речовини: спиновим склом, фермі-рідиною та ізолятором Мотта. З розвитком обчислювальних методів створена модель дозволить краще зрозуміти фізику дивних металів і наблизитися до опису високотемпceної надпровідності, пишуть автори в журналі.
Назва дивних металів вже сама по собі говорить про ступінь їх вивченості. Цей стан речовини можна назвати проміжним між провідником і діелектриком: в ньому електрони вже вільні, проте все ще істотно менш рухливі, ніж у звичайному металі. При цьому в планківських металах спостерігається максимально допустимий квантовою механікою темп дисипації енергії. Така поведінка електронів призводить до незвичайної температурної залежності питомого опору: поблизу абсолютного нуля воно пропорційне температурі, в той час як у звичайних металів, як правило, після надпровідної фази йде більш різке зростання опору.
Особливо цікава лінійна залежність питомого опору від температури через те, що вона характерна для купратів - речовин з вкрай високими температурами надпровідності при нормальному тиску, які також є дивними металами. Існує ряд статистичних моделей, які в першому наближенні описують таку поведінку питомого опору, але у вчених довго не виходило створити досить повну мікроскопічну теорію. Феноменологія купратів мотивувала і народження теорій про квантову спинову рідину (про те, що це таке, ми досить докладно писали в матеріалі "Квантова абетка: Спинова рідина "). Оскільки особлива поведінка дивних металів дає про себе знати поблизу абсолютного нуля, фізики почали вивчати основні стани (стаціонарні стани при нулі енергії) квантових систем в рамках подібних теорій. Однак, хоч такий підхід і демонстрував необхідну температурну залежність питомого опору, основним станом речовини в цих моделях виявилося спинове скло, а не планківський метал.
Спинове скло, в свою чергу - це клас речовин, в яких окремі магнітні моменти атомів розташовані хаотично. З назви видно паралель зі звичайним склом, в якому аморфно розподілені самі атоми, що входять до його складу. Однак природа аморфності магнітних моментів у спиновому склі набагато складніша і виникає через РККІ-обмінну взаємодію, яка здійснюється між магнітними іонами через колективізовані електрони провідності. На фазових діаграмах спинове скло часто сусідить з фермі-рідиною - низькотемпеолог ною квантовою рідиною взаємодіючих ферміонів (частинок з напівцілим спином), що володіє трансляційною інваріантністю. Саме за допомогою теорії фермі-рідини описується поведінка електронів у звичайних металах при низьких температурах.
Тепер Пітер Ча (Peter Cha) з Корнельського університету і його колеги визначили, що електрони в дивних металах за своєю природою є чимось проміжним між електронами в спиновому склі і в фермі-рідині. Виявилося, що між цими двома станами існує квантова критична точка (критична точка між двома станами речовини при абсолютному нулі температур), і саме в ній питомий опір у речовині виявляється пропорційно температурі. При підвищенні температур характерна дивним металам температурна залежність виявляється в речовинах, розташованих на фазовій діаграмі в області між фермі-рідиною та ізоляторомі Мотта. Останні являють собою кристалічні речовини з діелектричними властивостями, які могли б бути провідниками згідно звичайної теорії електричної провідності, але в реальності є ізоляторами через заважаюче переміщення заряду кулонівського відштовхування між електронами.
У своїй роботі фізики описують реалізовану ними решітчасту модель, що дозволяє симулювати процес «плавлення» спинового скла за рахунок квантових флуктуацій заряду всередині речовини, в результаті якого фізики отримали планківський метал з усіма властивими йому властивостями. У рамках моделі дослідники описували взаємодію електронів у кристалічній решітці за допомогою моделі Хаббарда, а також впроваджували в симуляцію спін-спинову взаємодію з нескінченним радіусом дії. Такий мікроскопічний підхід до моделювання погано позначався на швидкості обчислення, що в поєднанні з квантовою пов'язаністю всіх взаємодіючих електронів не дозволяло моделювати всю систему цілком. Для вирішення цієї проблеми автори використовували квантовий метод вкладень, який дозволяє докладно моделювати лише невелику ділянку досліджуваної матерії, одночасно спрощуючи обчислення для решти системи. Разом з використанням квантового методу Монте-Карло для генерації довільних початкових умов системи це дозволило вченим домогтися описаних вище результатів.
Більш того, автори відзначають, що в процесі моделювання система набувала локальну спинову динаміку, характерну для сімейства SYK-моделей. Такі моделі використовуються для моделювання не тільки процесів у чорних дірках, але і квантових спинових рідин, і, як згадувалося вище, раніше їх намагалися використовувати для моделювання дивних металів. Такий збіг результатів мікроскопічного моделювання з більш загальними теоріями може говорити про потенціал останніх у дослідженні планківських металів. Крім того, сучасні можливості обчислювальних комплексів не дали дослідникам впритул підійти до абсолютного нуля температур. Вчені сподіваються, що з розвитком обчислювальної техніки їх модель зможе дати ще більш цікаві результати.
Властивості дивних металів спостерігаються і в повернутому під певним кутом двошаровому графені. Про фундаментальні відкриття у фізиці конденсованого стану, які поклали початок дослідженням надплинності та високотемпceної надпровідності, можна почитати в нашому матеріалі «Чашка рідкого гелію».