Физики увидели в квантовом хаосе скрытый порядок, и он может стать основой сверхпроводимости

Изучение высокотемпературной сверхпроводимости десятилетиями остается одной из самых амбициозных задач физики, ведь передача энергии без потерь способна совершить технологическую революцию. Главным препятствием на этом пути является фаза псевдощели — промежуточное состояние вещества, когда электроны начинают вести себя крайне странно. 

Ранее считалось, что при добавлении примесей строгое магнитное упорядочение системы разрушается, превращаясь в хаос. Но международная группа исследователей доказала, что это не так. Работа опубликована в журнале PNAS.

Используя литиевый газ, охлажденный до миллиардных долей градуса выше абсолютного нуля, ученые воссоздали модель Ферми-Хаббарда. Благодаря квантовому газовому микроскопу они получили десятки тысяч мгновенных снимков, которые позволили разглядеть тонкие корреляции между частицами.

Выяснилось, что даже в условиях сильного беспорядка сохраняется скрытая структура. Магнитные взаимодействия электронов следуют единому универсальному паттерну, масштаб которого четко соотносится с температурой появления псевдощели. 

Это открытие подтверждает, что магнетизм играет определяющую роль в формировании этого состояния. Исследование показало, что связи между частицами гораздо сложнее простых пар; они образуют многочастичные структуры, вовлекающие до пяти объектов одновременно. Соавтор работы Антуан Жорж отмечает: «Замечательно, что квантовые аналоговые симуляторы на базе ультрахолодных атомов теперь могут быть охлаждены до температур, при которых проявляются сложные квантовые коллективные явления».

Обнаруженные закономерности стали важным эталоном для проверки существующих теоретических моделей. Результаты работы приближают научное сообщество к пониманию того, как коллективное движение «танцующих» электронов порождает сверхпроводимость. 

Успех эксперимента был обусловлен тесным взаимодействием теоретиков и экспериментаторов. Антуан Жорж говорит: «Аналоговое квантовое моделирование вступает в новую захватывающую стадию, которая бросает вызов классическим алгоритмам. В то же время эти эксперименты требуют глубокой теории. Сотрудничество между теоретиками и экспериментаторами сейчас важно как никогда». В будущем ученые планируют еще сильнее охладить систему, чтобы найти новые формы квантового порядка.