Исследование может помочь ученым понять материалы, проводящие электричество без сопротивления
Твердый материал, который идеально проводит электричество при определенных температурах, также может считаться почти идеально текучей жидкостью.
Если результат подтвердится, сверхпроводящий материал станет первой почти идеальной жидкостью, которая не входит в число самых горячих или самых холодных веществ во Вселенной. Результат также предлагает новый способ расшифровки класса материалов, которые в конечном итоге могут передавать электричество по энергосистеме без потерь энергии.
В 2002 году исследователи охладили облако атомов лития до менее чем одной десятимиллионной доли градуса Цельсия выше абсолютного нуля, чтобы создать так называемый ферми-газ. Три года спустя ускоритель частиц в Брукхейвенской национальной лаборатории в Аптоне, штат Нью-Йорк, столкнул ядра золота, чтобы сформировать кварк-глюонную плазму с температурой в триллион градусов Цельсия, вещество, которое, как считается, напоминает материю во Вселенной сразу после Большого взрыва.
Эти два вещества не могут быть более разными с точки зрения температуры - газ Ферми холоднее, чем космическое пространство, а кварк-глюонная плазма горячее, чем ядро любой звезды. Но у них есть удивительное качество: вместо того, чтобы напоминать газы, обе смеси ведут себя как жидкости с исключительно низкой вязкостью или сопротивлением течению. Ученые считают их почти идеальными жидкостями (SN: 25.04.09, стр. 26).
Питер Джонсон, специалист по физике конденсированных сред из Брукхейвена, изучает, казалось бы, несвязанный класс материалов, называемых высокотемпературными сверхпроводниками. Такие соединения проводят электричество без сопротивления при охлаждении до температур значительно выше абсолютного нуля, но все еще очень холодных. Тем не менее, Джонсон говорит, что ферми-газы, кварк-глюонная плазма и высокотемпературные сверхпроводники имеют одну важную общую черту: взаимодействия между составляющими их частицами настолько сильны, что частицы ведут себя коллективно, а не по отдельности. Коллективное поведение электронов в высокотемпературных сверхпроводниках поставило физиков в тупик, сорвав попытки понять эти материалы и, возможно, построить провода, которые могут перемещать электричество без сопротивления при комнатной температуре (SN: 18.10.14, стр. 22).
Заинтригованный возможной связью между коллективным поведением и состоянием, подобным жидкости, Джонсон измерил вязкость высокотемпературного сверхпроводника, оксида висмута, стронция, кальция, меди. Он и его коллеги вводили свет в соединение, которое выбрасывало электроны. Исследователи измерили свойства каждого выходящего электрона, чтобы определить, насколько быстро он проходит через материал. 13 октября в журнале Physical Review B команда Джонсона пришла к выводу, что поток электронов достаточно быстр, чтобы назвать сверхпроводящее соединение почти идеальной жидкостью при температурах около -180˚ C.
Но экспериментальная техника не устраивает Яна Заанена, физика-теоретика конденсированных сред из Лейденского университета в Нидерландах.«Это ошибка, - говорит он. «Это не имеет смысла». Он говорит, что измерение отдельных электронов для оценки потока всех электронов подобно измерению одной молекулы воды для определения течения реки.
Соавтор исследования Джонатан Рамо из Брукхейвена защищает исследование. По его словам, каждое измерение дает представление о том, с чем сталкиваются электроны внутри материала. «Хотя мы измеряем, как быстро выходит этот электрон, на самом деле это дает нам информацию о среде, из которой он появился».
Подвергая сомнению технику, Шон Хартнолл, физик-теоретик из Стэнфордского университета, больше сосредоточен на общей картине. «Эта статья - первая смелая попытка определить вязкость электронов в высокотемпературном сверхпроводнике, - говорит он. По его словам, эта работа может побудить физиков взглянуть на высокотемпературные сверхпроводники как на текущие жидкости, а не просто на электрические проводники, что могло бы помочь найти способы манипулирования материалами для использования при более высоких температурах.