"Тяжелые" электроны открывают секрет сверхпроводимости

Квантовая запутанность делает электроны массивнее и превращает материал в сверхпроводник.

Наблюдения, сделанные в течение последних 30 лет, показывают, что электроны в некоторых твердых веществах «тяжелеют» в 100–1000 раз по сравнению со своей массой в вакууме. При этом твердое вещество становится сверхпроводником.

До сих пор ученые не смогли понять, как это происходит, но исследователи из Принстонского университета впервые сумели изучить этот процесс с помощью прямых изображений электронных волн в кристалле.

Понятие «тяжелых» электронов кажется нелогичным, ведь эти мельчайшие частицы с легкостью «текут» по медным проводам и проносятся по цепям электросхем. Однако в определенных твердых веществах электроны ведут себя так, как будто они в тысячу раз тяжелее. При они этом движутся как идеальная жидкость, без сопротивления, придавая материалу свойства сверхпроводника. Разгадка этой тайны может стать ключом для понимания работы сверхпроводников и позволит создавать эффективные электросети и компьютеры.

Новое исследование ученых из Принстона показало, что массу электронов, движущихся в кристалле, определяет явление, известное как квантовая запутанность, меняющая свойства материала.

С помощью наблюдений на специально разработанном криогенном сканирующем туннельном микроскопе, исследователи смогли не только наблюдать возрастание массы электронов, но и выяснить, что тяжелые электроны на самом деле являются составными объектами, состоящими из двух запутанных форм электрона.

Благодаря этой запутанности в соответствии с законами квантовой механики, электроны могут одновременно обладать диаметрально противоположными свойствами: «легкостью» и «тяжестью».

Сравнивая данные с теоретическими расчетами, ученые пришли к выводу, что тяжелые электроны представляют собой квантовые запутанности двух противоположных по свойствам электронов, которые локализуются вокруг отдельных атомов в кристалле.

Судя по всему, именно степень такой запутанности является ключом к сверхпроводимости. Когда электроны становятся слишком тяжелыми, они «замерзают» в намагниченном состоянии и «застревают» в атомах.

Однако создание запутанности определенной степени позволяет электронам прыгать с атома на атом и превращать материал в сверхпроводник.

Открытие ученых из Принстонского университета может помочь физикам создать вожделенные высокотемпературные сверхпроводники, которые дадут мощнейший толчок научно-техническому прогрессу и решат множество проблем человечества, например, создание дешевых и сверхъемких аккумуляторов.

Источник