По определению металлические материалы и материалы-диэлектрики отличаются очень сильно. Но недавно, ученые из Принстонского университета неожиданно обнаружили в материалах-изоляторах некоторые квантовые явления, которые, как считалось ранее, были уникальны по отношению к металлам. И эти квантовые явления связаны напрямую с новым типом квантовых частиц, которые получили название нейтральных фермионов.
Основная разница между металлами и диэлектриками заключается в том, что первые материалы проводят электрический ток, а вторые — нет. На молекулярно-атомарном уровне это сводится к тому, насколько свободно могут перемещаться электроны в кристаллической решетке этих материалов. В металлах электроны имеют высокую подвижность и перемещаются относительно свободно, а материалы-изоляторы, очевидно, имеют очень высокое электрическое сопротивление, которое кардинально сковывает движение электронов.
Побочным эффектом сказанного выше является то, что в металлических материалах может возникать явление, известное под названием квантовых колебаний. Когда такие материалы, охлажденные до сверхнизких температур, подвергаются воздействию магнитного поля, электроны переходят в квантовое состояние, что приводит к резкому изменению удельного сопротивления материала. Такой процесс в металлах имеет регулярный колебательный характер, но он практически не проявляется в материалах-изоляторах из-за ограниченной возможности перемещений электронов.
Указанная выше точка зрения считалась догмой на протяжении текущего века и большей части прошлого века. Но, в своих новых исследованиях принстонские ученые впервые и совершенно случайным образом обнаружили квантовые колебания в изоляционных материалах. Исследователи работали с дителлуридом вольфрама, весьма необычным материалом, который в большинстве случаев демонстрирует металлические свойства, но превращается в диэлектрик в своей подобной графену двумерной форме. Измеряя удельное сопротивление монослоя этого материала под воздействием магнитного поля, ученые нашли признаки возникновения квантовых колебаний.
«Это стало для нас полной неожиданностью» — пишут исследователи, — «И, естественно, мы сразуже задались вопросом — «Что же здесь происходит на самом деле?». К сожалению, и по сей день мы не понимаем этого до самого конца».
Наблюдаемые учеными явления не могут быть объяснены с точки зрения всех существующих теорий, поэтому исследователи выдвинули собственную новую гипотезу. Они утверждают, что источниками квантовых колебаний не могут являться электроны. Столь сильные явления и взаимодействия могут создавать только квантовые частицы нового типа. Так как в материалах-изоляторах движение заряженных частиц заблокировано, новые квантовые частицы должны быть нейтральны, т.е. не иметь электрического заряда. А по характеру возникающих колебаний ученые определили, что эти гипотетические частицы должны относиться к семейству частиц-фермионов.
«Если наша интерпретация наблюдаемых явлений верна, мы увидели абсолютно новую форму квантовой материи» — пишут исследователи, — «И это указывает нам, что в недрах матриалов-изоляторов может скрываться целый пока не изведанный нами квантовый мир. Вполне возможно, что за последние несколько десятилетий ученые уже не раз наблюдали проявления этого скрытого квантового мира, но игнорировали их, как нечто невозможное».
Однако, принстонские ученые еще сами не уверены в том что им удалось увидеть — это проявление существования нейтральных фермионов. Вполне вероятно, что могут быть найдены и другие объяснения наблюдаемым феноменам, и в ближайшее время ученые направят свои усилия на поиски альтернативных вариантов объяснения, что станет опровержением или подтверждением выдвинутой ими гипотезы, о которой упоминалось выше.
Материалы по теме:
Posted in 
Tags: 