Американские физики создали решеточную модель, в которой им удалось воспроизвести реальную температурную зависимость удельного сопротивления странных металлов. В отличие от обычных металлов, в их странных аналогах, которые также называют планковскими, сопротивление пропорционально температуре вблизи абсолютного нуля.

Добиться описания этого явления исследователям удалось с помощью моделирования переходов между тремя состояниями вещества: спиновым стеклом, ферми-жидкостью и изолятором Мотта. С развитием вычислительных методов созданная модель позволит лучше понять физику странных металлов и приблизиться к описанию высокотемпературной сверхпроводимости, пишут авторы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Название странных металлов уже само по себе говорит о степени их изученности. Это состояние вещества можно назвать промежуточным между проводником и диэлектриком: в нем электроны уже свободны, однако все еще существенно менее подвижны, чем в обычном металле. При этом в планковских металлах наблюдается максимально допустимый квантовой механикой темп диссипации энергии.

Такое поведение проводящих электронов приводит к необычной температурной зависимости удельного сопротивления: вблизи абсолютного нуля оно пропорционально температуре, в то время как у обычных металлов, как правило, после сверхпроводящей фазы идет более резкий рост сопротивления.

Особенно интересна линейная зависимость удельного сопротивления от температуры из-за того, что она характерна для купратов — веществ с крайне высокими температурами сверхпроводимости при нормальном давлении, которые также являются странными металлами. Существует ряд статистических моделей, которые в первом приближении описывают такое поведение удельного сопротивления, но у ученых долго не получалось создать достаточно полную микроскопичную теорию.

Феноменология купратов мотивировала и рождение теорий о квантовой спиновой жидкости. Так как особое поведение странных металлов дает о себе знать вблизи абсолютного нуля, физики стали изучать основные состояния (стационарные состояния при нуле энергии) квантовых систем в рамках подобных теорий. Однако, хоть такой подход и демонстрировал требуемую температурную зависимость удельного сопротивления, основным состоянием вещества в этих моделях оказалось спиновое стекло, а не планковский металл.

Спиновое стекло, в свою очередь — это класс веществ, в которых отдельные магнитные моменты атомов расположены хаотично. Из названия видна параллель с обычным стеклом, в котором аморфно распределены сами атомы, входящие в его состав. Однако природа аморфности магнитных моментов в спиновом стекле гораздо сложнее и возникает из-за РККИ-обменного взаимодействия, которое осуществляется между магнитными ионами через коллективизированные электроны проводимости.

На фазовых диаграммах спиновое стекло часто соседствует с ферми-жидкостью — низкотемпературной квантовой жидкостью взаимодействующих фермионов (частиц с полуцелым спином), обладающей трансляционной инвариантностью. Именно с помощью теории ферми-жидкости описывается поведение электронов в обычных металлах при низких температурах.

Теперь Питер Ча (Peter Cha) из Корнельского университета и его коллеги определили, что электроны в странных металлах по своей природе являются чем-то промежуточным между электронами в спиновом стекле и в ферми-жидкости.