Vedcom sa podarilo zostaviť teoretický model takzvaných „podivných kovov“. Tieto zvláštne materiály disponujú istými nezvyčajnými vodivými vlastnosťami a prekvapivo zdieľajú isté podobnosti dokonca aj s čiernymi dierami.

Portál Phys nedávno upozornil na veľmi zaujímavú štúdiu, ktorú majú na svedomí výskumníci z Flatironovho inštitútu v New Yorku a Cornellovej Univerzity. Podarilo sa im totižto učiniť významný pokrok v oblasti takzvaných „podivných kovov“, v rámci ktorých narazili aj na nový stav hmoty. Svoje poznatky popísali aj v štúdii publikovanej v žurnále Proceedings of the National Academy of Sciences.

Čudné materiály, ktoré zdieľajú vlastnosti s čiernymi dierami

Podivné kovy nedostali svoj zvláštny názov len tak pre nič za nič. Podľa štandardov kvantových fyzikov sú jednoducho čudné a okrem toho, že sú príbuzné vysokoteplotným supravodičom, zdieľajú isté podobnosti dokonca aj s čiernymi dierami. Elektróny v podivných kovoch dokážu rozptyľovať energiu tak rýchlo, ako to len umožňujú zákony kvantovej mechaniky a ich elektrická rezistivita je na rozdiel od bežných kovov úmerná teplote.

„Skutočnosť, že ich nazývame podivné kovy, by Vám mala napovedať, ako dobre im v skutočnosti rozumieme,“ hovorí spoluautor štúdie Olivier Parcollet, vedecký pracovník v Centre pre výpočtovú kvantovú fyziku v Flatironovho inštitútu. „Podivné kovy zdieľajú pozoruhodné vlastnosti s čiernymi dierami a otvárajú vzrušujúce nové smery pre teoretickú fyziku.“

Aktuálne je konštrukcia teoretického chápania podivných kovov jednou z najväčších výziev v oblasti fyziky kondenzovaných látok. Vedci však aktuálne pomocou špičkových výpočtových techník dokázali zostaviť prvý robustný teoretický model podivných kovov a z ich práce vyplynulo, že podivné kovy sú zároveň novým stavom hmoty.

Modely podivných kovov sú známe už desaťročia, no doposiaľ ich nik nedokázal namodelovať úplne presne

V kvantovom mechanickom svete je rezistancia vedľajším produktom zrážok elektrónov. Keď elektróny prúdia kovom, zrážajú či odrážajú sa od ostatných elektrónov alebo nečistôt v kovoch. Čím menej týchto zrážok nastane, alebo čím viac času medzi týmito zrážkami uplynie, tým nižší je elektrický odpor daného materiálu.

Pri typických kovoch sa rezistivita zvyšuje spolu s teplotou podľa zložitej rovnice, no v neobvyklých prípadoch, napríklad keď sa vysokoteplotný supravodič zahreje tesne nad bod, keď prestáva byť supravodivým, je rovnica oveľa jednoduchšia. V prípade podivných kovov je elektrická vodivosť priamo prepojená s teplotou a dvomi základnými konštantami vesmíru – Planckovou konštantou a Boltzmannovou konštantou.

Modely podivných kovov sú známe už desaťročia, ale presné riešenie takýchto modelov sa ukázalo ako nedosiahnuteľné existujúcimi metódami. Kvantové zapletenia medzi elektrónmi znamenajú, že fyzici nemôžu elektróny skúmať jednotlivo a celkový počet častíc v samotnom materiáli robí výpočty ešte náročnejšími.

Pomocou dvoch špeciálnych metód vedci zostavili prvý teoretický model podivných kovov

Ako prvú použili vedci metódu kvantového vkladania založenú na myšlienkach rozvinutých členom výskumného tímu, Antoinom Georgesom, na začiatku 90. rokov. Pri tejto metóde fyzici namiesto vykonávania podrobných výpočtov v celom kvantovom systéme robia podrobné výpočty iba na niekoľkých atómoch a zvyšnú časť systému dokážu ošetriť jednoduchšie.

Ako druhá metóda bol použitý algoritmus Monte Carlo (nazvaný podľa Monte Carla známeho svojimi kasínami a najmä ruletami), ktorý na výpočet problému používa náhodný výber, respektíve náhodné alebo pseudonáhodné čísla. Vedci týmto spôsobom vyriešili model podivných kovov až k absolútnej nule (- 273,15 °C), čo je nedosiahnuteľná dolná teplotná hranica v celom vesmíre.

Zobraziť celú galériu (1)

Schéma znázorňujúca rôzne stavy hmoty ako funkcie teploty T a sily interakcie U. Na obrázku je možné vidieť, že podivné kovy v rámci svojho stavu hmoty separujú metalické spinové skloviny a Fermiho kvapaliny. Zdroj: P. Cha et al./Proceedings of the National Academy of Sciences 2020

Výsledkom bol teoretický model, ktorý skutočne potvrdzoval existenciu podivných kovov, ako aj ich nový stav hmoty, ktorý hraničí s dvomi predtým známymi fázami hmoty – Mottovými izolantami spinových sklovín a Fermiho kvapalinami. Tento jav popisuje aj vyššie uvedená schéma.

„Zistili sme, že existuje celý región vo fázovom priestore, ktorý vykazuje Planckové správanie, ktoré nepatrí do žiadnej z dvoch fáz, medzi ktorými sme prechádzali,“ uviedol Eun-Ah Kim, profesor fyziky Cornellovej Univerzity. „Tento kvantový spinový tekutý stav nie je zablokovaný, ale nie je ani úplne voľný. Je to pomalý, „polievkovitý“, hladký stav. Je kovový, ale neochotne kovový a tlačí stupeň chaosu na hranicu kvantovej mechaniky.“

Táto štúdia by tak mohla fyzikom pomôcť lepšie porozumieť fyzike vysokoteplotných supravodičov. Možno je to prekvapujúce, no ako bolo uvedené vyššie, práca má väzby aj na astrofyziku. Rovnako ako podivné kovy, aj čierne diery vykazujú vlastnosti, ktoré závisia iba od teploty a Planckových a Boltzmannovych konštánt, ako napríklad doba, po ktorú sa čierna diera „rozozvučí“ po zlúčení s ďalšou čiernou dierou.