Fázový diagram s podivným kovem. Kredit: Cha et al. (2020), PNAS.

Že je kvantová fyzika pro normální smrtelníky podivná, to není žádným tajemstvím. Takzvané podivné kovy (strange metals) jsou ale materiály, které jsou divné i na poměry kvantové fyziky. Podivné kovy mají vztah k supravodičům fungujícím za vysokých teplot, a jak se nedávno ukázalo, mají i některé rysy společné s černými dírami. Elektrický odpor podivných kovů se mění s teplotou odlišným způsobem, než u typických kovů.

V dnešní době jsou snahy o pochopení podivných kovů jednou z největších výzev pro fyziku kondenzovaných látek. Nedávno se do tohoto problému pořádně obuli fyzici amerických Flatiron Institute a Cornell University, kteří sestavili první důvěryhodný teoretický model podivných kovů. Z jejich výzkumu především vyplynulo, že podivné kovy představují nové skupenství hmoty.

Olivier Parcollet. Kredit: O. Parcollet.

Jak trefně poznamenává jeden z autorů studie, Olivier Parcollet z Flatironu, už samotný název „podivné kovy“ napovídá, jak „dobře“ asi těmto materiálům rozumíme. Zároveň se podle něj ukazuje, že exotické vlastnosti podivných kovů před námi otevírají nové směry výzkumu a úvah v teoretické fyzice.

Ve světě kvantové mechaniky je elektrický odpor vedlejším důsledkem toho, jak elektrony narážejí do okolních částic. Když elektrony protékají kovem, tak se odrážejí od jiných elektronů anebo od případných nečistot ve struktuře kovu. Čím méně často k tomu dochází, tím nižší je odpor takového kovu.

U typických kovů elektrický odpor vzrůstá s teplotou, podle složité rovnice. V neobvyklých případech, například když se supravodič zahřeje těsně nad teplotu, při které přestává být supravodivý, se tato rovnice podstatně zjednodušuje. U podivných kovů elektrický odpor přímo souvisí s teplotou a dvěma základními fyzikálními konstantami – Planckovou a Boltzmannovou. Proto se podivným kovům také říká Planckovské kovy.

Modely podivných kovů už vlastně existují celá desetiletí, ale vždy to s nimi bylo těžké. Doposud je nebylo možné smysluplně používat. Kvůli kvantovým entanglementům nebylo možné s elektrony v těchto modelech pracovat jednotlivě a výpočty zároveň komplikovaly značné počty částic v podivných kovech.

Flatiron Institute, logo.

Vědci použili k vytvoření nového modelu podivných kovů dva různé postupy. Nejprve metodou „quantum embedding“ provedli detailní výpočty pro pár atomů celého systému. Pak použili kvantový Monte Carlo algoritmus, který simuluje chování systému s využitím pseudonáhodných čísel. Tímto postupem vyřešili model podivných kovů při absolutní nule.

Z jejich výpočtů vyplynulo, že podivné kovy představují konzistentní nové skupenství hmoty. Svými vlastnostmi se nachází „mezi“ spinovými skly a Fermiho kapalinami. Někdy se jim ostatně říká nefermiho kapaliny (non Fermian liquids). Podle autorů studie je to takové zvláštní, netečné, husté a kluzké skupenství. Je to takový nekovový kov, v němž se snoubí chaos s pravidly kvantové mechaniky.

Výzkum podivných kovů poslouží k většímu pochopení supravodičů, které fungují za vysokých teplot. A také se, poněkud překvapivě, ukázalo, že má jistou souvislost s astrofyzikou. Černé díry se totiž v některých ohledech, alespoň podle teorie, chovají jako podivné kovy. Mají vlastnosti, které závisejí jen na teplotě, Planckově a Boltzmannově konstantě. Projevuje se to například při tvorbě gravitačních vln po splynutí dvou černých děr. Pro fyziky je to naprosto fascinující.

Video: Olivier Parcollet: Quantum many body problem: recent progress on high temperature superconductivity

Literatura

Simons Foundation 23. 7. 2020.

PNAS online 22. 7. 2020.