Вимірювання на надпровідному матеріалі показують різкий перехід між нормальним металом і «дивним» металом. Однак дійсно дивна річ полягає в тому, що ця різкість зникає при падінні температури. «У нас немає ніяких теоретичних механізмів для цього, - говорить фізик-теоретик Ян Заанен, співавтор наукової статті, - це те, що може розрахувати тільки квантовий комп'ютер».
Надпровідники підносять сюрпризи вже понад століття. У 1911 році Хейке Камерлінг Оннес у Лейдені виявив, що ртуть проводитиме електричний струм без будь-якого опору при температурі 4,2 Кельвіна (4,5 градуса вище абсолютного нуля або -273,15 градуса Цельсія).
Це явище було пояснено тільки в 1957 році, а в 1986 році був виявлений новий тип надпровідності в складних оксидах міді. Ця високотемпеолог на надпровідність зберігається навіть при температурі в 92 Кельвіна.
Якби її можна було поширити на кімнатну температуру, надпровідність означала б безпрецедентні технологічні застосування, але поки це явище ухилилося від повного пояснення. Це не через нестачу зусиль фізиків, таких як Ян Заанен, з групою фізиків-експериментаторів зі Стенфорда, які опублікували статтю в журналі Science.
Дивний метал
«Вважаю, це справить враження», - пише Заанен про публікації. «Навіть для наукових стандартів це не пересічна стаття».
З 1957 року відомо, що надпровідність викликана електронами, що утворюють пари, які можуть безперешкодно проходити через кристал. Це відбувається тільки нижче критичної температури, Tc.
Однак навіть вищі за цю температуру високотемпеолог ні надпровідники демонструють дивну поведінку. У цій дивній металевій фазі електрони поводяться не як незалежні частинки, як у звичайних металах, а як колективні.
Вчені зі Стенфордського університету досліджували перехід між нормальним і дивним у надпровідному оксиді міді Bi (2212), використовуючи метод ARPES (кутова фотоемісійна спектроскопія). В ARPES інтенсивне ультрафіолетове світло спрямоване на зразок, що несе енергію, яка може викидати з нього електрони. Енергія і швидкість таких викинутих електронів видають поведінку електронів у зразку.
Кипляча вода
Крім температури, параметр легування має вирішальне значення. Змінюючи точну хімію матеріалу, можна змінювати кількість вільно рухомих носіїв заряду, що впливає на властивості.
При відносно високих температурах, трохи вище максимально можливого значення Tc, перехід між нормальним і дивним металом відбувається між відсотками легування 19 і 20 відсотків.
На цьому переході фізики показують, що розподіл енергії електронів різко змінюється. Такі розривні переходи поширені у фізиці. Приклад - кипляча вода: при переході з рідкої води в пар щільність робить гігантський стрибкоподібний стрибок.
Але найдивніше, що в цьому випадку розрив зникає, коли температура опускається в надпровідну область: різкість згладжується, і властивості раптово безперервно змінюються.
"Так що ж відбувається? Згідно із загальним фізичним принципом, уривчаста поведінка при високих температурах повинна була б перерости в переривчастий перехід при низьких температурах ", - говорить Заанен. "Той факт, що цього не відбувається, суперечить будь-яким розрахункам до теперішнього часу. Повний теоретичний механізм підводить нас ".
Це також означає, що так званий квантово-критичний перехід, улюблений серед пояснень, може бути викинутий у сміттєвий ящик, оскільки він пророкує безперервну поведінку ARPES-сигналу при зміні легування.
За словами Заанена, все це є чітким свідченням того, що дивна металева фаза є наслідком квантової заплутаності. Це заплутування квантово-механічних властивостей частинок, яке також є важливим компонентом для квантових комп'ютерів.
Квантові комп "ютери
Отже, вважає Ян Заанен, таку поведінку можна задовільно розрахувати тільки за допомогою квантового комп'ютера.
Навіть більше, ніж злом кодів безпеки або обчислення молекул, дивний метал - це ідеальний тестовий приклад, де квантові комп'ютери можуть показати свої переваги порівняно зі звичайними комп'ютерами.
Мораль цієї історії, каже Ян Заанен, полягає в тому, що походження самої надпровідності все частіше стає побічною проблемою.
«Після тридцяти років з'являється все більше свідчень того, що висока TC-надпровідність вказує на радикально нову форму матерії, яка визначається наслідками квантової заплутаності в макроскопічному світі».