“Странные металлы”, класс материалов, открытый в конце XX века, продолжают оставаться одной из наиболее загадочных и исследуемых категорий в современной физике конденсированного состояния. Их уникальные электронные свойства бросают вызов традиционным представлениям, сформированным в рамках теории ферми-жидкости, и, как полагают, содержат ключи к пониманию механизмов высокотемпературной сверхпроводимости. В отличие от обычных металлов, где электроны ведут себя как квазичастицы с четко определенными характеристиками, в “странных металлах” наблюдается аномальное поведение: сопротивление таких материалов линейно зависит от температуры в широком диапазоне, включая крайне низкие температуры, что противоречит классическим моделям. Это отклонение указывает на существование принципиально иных квантовых состояний вещества, где электронные взаимодействия носят коллективный, а не индивидуальный характер.
© P. Cha et al. / PNAS, 2020. Диаграмма, показывающая разные состояния вещества в зависимости от температуры (Т) и силы взаимодействия (U), нормированных на количество электронных переходов (t).
Центральным аспектом исследований “странных металлов” является их связь с высокотемпературной сверхпроводимостью — явлением, при котором материалы теряют электрическое сопротивление при температурах, значительно превышающих пороговые значения для классических сверхпроводников. Например, купраты, одни из первых открытых высокотемпературных сверхпроводников, в своей нормальной фазе демонстрируют свойства “странных металлов”. Это сходство наводит на мысль, что аномалии в электронном поведении могут служить предвестником или даже необходимым условием для перехода в сверхпроводящее состояние. Однако механизмы, связывающие эти два феномена, остаются нераскрытыми, что стимулирует интенсивные теоретические и экспериментальные изыскания.
Одной из ключевых особенностей “странных металлов” является отсутствие четко выраженных квазичастиц — элементарных возбуждений, которые в ферми-жидкостях описывают поведение электронов. Вместо этого электроны в таких материалах образуют сильно коррелированную квантовую систему, где индивидуальные движения частиц подавляются коллективными взаимодействиями. Такое состояние часто связывают с присутствием квантовой критической точки — области фазовой диаграммы, где материал находится на границе между различными упорядоченными состояниями даже при абсолютном нуле температуры. Флуктуации вблизи этой точки могут порождать необычные электронные свойства, включая линейную зависимость сопротивления от температуры, а также способствовать формированию куперовских пар — связанных состояний электронов, ответственных за сверхпроводимость.
Теоретическое описание “странных металлов” требует выхода за рамки стандартных подходов. Например, теория Бардина-Купера-Шриффера (БКШ), успешно объясняющая сверхпроводимость в обычных материалах, оказывается неприменимой из-за сильных электронных корреляций. Альтернативные модели, такие как маргинальная ферми-жидкость или голографическая дуальность, заимствованная из теории струн, предлагают новые способы интерпретации экспериментальных данных. Однако ни одна из этих теорий пока не получила всеобщего признания, что подчеркивает необходимость дальнейших исследований. Экспериментальные методы, такие как фотоэмиссионная спектроскопия с угловым разрешением (ARPES) и измерения квантовых осцилляций, играют критическую роль в проверке гипотез, позволяя визуализировать электронную структуру и динамику квазичастиц.
Прогресс в понимании “странных металлов” может привести к революции в прикладных технологиях. Высокотемпературные сверхпроводники, лишенные энергетических потерь, способны трансформировать энергетические системы, медицинскую диагностику и квантовые вычисления. Однако для этого требуется не только установить природу связи между “странными металлами” и сверхпроводимостью, но и научиться контролировать их свойства на микроскопическом уровне. Современные исследования, объединяющие достижения физики конденсированного состояния, квантовой теории поля и материаловедения, постепенно приближают научное сообщество к этой цели, демонстрируя, что разгадка тайн “странных металлов” — не просто академическая задача, а путь к технологиям будущего.