Открытие экспериментально соединяет миры классической и квантовой механики и освещает таинственную природу перехода Мотта.

Также исследование способно пролить свет на неравновесную физику, которая плохо изучена, но управляет большинством процессов, происходящих в нашем мире.

Наконец, открытие может стать шагом к более эффективной электронике, основанной на переходе Мотта.

Примирить квантовую механику и ньютонову физику

С тех пор, как ее основы стали закладываться в первой половине 20 века, ученые пытались примирить квантовую механику с правилами классической или ньютоновой физики. В объединении двух подходов успехи кое-какие достигнуты, однако эксперименты, соединяющие эти два явления, все еще несовершенны. Физические явления классифицируются либо как квантовые, либо как классические, но не те и другие одновременно.

В сверхпроводниках обнаружена система, объединяющая обе физики. Сверхпроводники – это специфические материалы, проводящие электричество почти без сопротивления при сверхнизких температурах.

Магнитные поля проникают сквозь сверхпроводники в виде крошечных нитей под названием вихри, которые управляют электронными и магнитными свойствами материала.

Эти вихри показывают одновременно классические и квантовые свойства, благодаря чему ученые исследуют их, чтобы понять одно из наиболее таинственных явлений современной физики сжатого вещества: переход Мотта металл-изолятор.

Переход Мотта наблюдается в определенных материалах, которые согласно учебнику по квантовой механике должны быть металлами, но в действительности являются изоляторами.

Комплексное явление, управляемое взаимодействиями множества квантовых частиц, переход Мотта остается загадкой; до сих пор непонятно, к какой физике его отнести — классической или квантовой. Кроме того, ученые никогда не наблюдали переход Мотта, в котором переход от изолятора к металлу вызван прохождением электрического тока через систему; беспорядок, наследуемый от реальных систем, маскирует свойства Мотта.

90000 островков в золотом океане

Ученые построили систему, содержащую 90000 сверхпроводящих ниобиевых наноразмерных островков на поверхности золотой пленки. В этой конфигурации вихрям проще всего обосноваться в энергетических впадинах, словно яйцам в поддоне, а материал начинает вести себя как изолятор Мотта, поскольку вихри не будут перемещаться, если прикладываемый электрический ток будет слишком мал.

Однако когда ученые применили слишком мощный электрический ток, то динамический переход Мотта стал заметным, поскольку система переключилась в состояние металлического проводника. Свойства материала изменились, поскольку ток нарушил баланс.

Система вихрей ведет себя аналогично электронному переходу Мотта, который запускается температурой, отметил соавтор исследования Валерий Винокур.

«Это экспериментально осуществляет связь между квантовой и классической физикой», сказал Винокур.

«Мы можем целенаправленно вызывать переход фазы между состояниями заблокированных и двигающихся вихрей с помощью электрического тока», сказал Ганс Хильгенкамп. „Изучение этих переходов фазы в наших искусственных системах интересно само по себе, но также может помочь лучше понять суть электронных транзитов в реальных материалах“.

Система может помочь ученым понять две сложные физические категории – многотельные системы и неравновесные системы.

«Это классическая система, с которой просто экспериментировать, и которая обеспечивает доступ к весьма сложным многотельным системам», заявил Винокур.

Как показывает название, многотельные задачи вовлекают значительное число взаимодействующих частиц. С текущей теорией их очень сложно смоделировать или понять.

«Также эта система будет ключевой для построения общего понимания неравновесной физики, что стало бы главным прорывом», заключил Винокур.