Есть фундаментальные физические законы, а также модели, которые описывают поведение ограниченного числа систем при определённых условиях. Когда накапливается значительное количество экспериментальных данных, не соответствующих модели, возникает необходимость пересмотра теории или поиска скрытых механизмов, объясняющих расхождения между теорией и экспериментом.

Особенности купратов и странного металла

Высокотемпературные сверхпроводники на основе меди, известные как купраты, проявляют необычные свойства даже вне сверхпроводящего состояния. В этом состоянии, которое получило название «странный металл», электрическое сопротивление материала изменяется линейно с температурой на всём диапазоне температур, что отличается от поведения обычных металлов, где зависимость сопротивления от температуры более сложная.

Для купратов справедлива формула линейной зависимости сопротивления от температуры: ρ = ρ₀ + A·T, где A — коэффициент наклона, отражающий скорость изменения сопротивления при изменении температуры. Сопротивление показывает, насколько интенсивно электроны рассеиваются при движении по материалу: чем выше сопротивление, тем чаще носители заряда сталкиваются с препятствиями.

Влияние легирования и проблема универсальности

Эксперименты с купратами показали, что коэффициент наклона A сильно зависит от степени легирования материала. Добавление атомов, изменяющих количество электронов и дырок, заметно влияет на параметры, которые, согласно теории, должны оставаться неизменными. Это ставило под сомнение универсальность планковского предела рассеяния, определяющего минимальное возможное время рассеяния электронов.

Пересмотр анализа и новые подходы

Группа физиков установила, что причина расхождений заключалась в методе анализа данных. При использовании более точной модели противоречие устраняется. В исследовании, опубликованном в журнале Nature Communications, показано, что для описания рассеяния носителей заряда в купратах ранее применялась упрощённая модель Друде, в которой электроны рассматриваются как частицы с одинаковой эффективной массой, включающей все взаимодействия с веществом.

Однако у купратов сложная электронная структура, из-за которой скорость движения электронов и дырок в разных направлениях существенно различается. Это можно сравнить с разницей между движением по течению реки и против него. В таких условиях модель Друде недостаточно точно отражает реальность.

Кинетическое уравнение Больцмана и плазменная частота

Для корректного описания электронной структуры странного металла необходимо использовать кинетическое уравнение Больцмана, применяемое для описания переноса зарядов в классических металлах. Это уравнение учитывает распределение скоростей электронов в материале. В таком случае сопротивление зависит от квадрата оптической плазменной частоты — параметра, характеризующего способность электронной системы реагировать на электромагнитное поле.

Ранее было известно, что квадрат плазменной частоты для некоторых купратов линейно увеличивается с ростом степени легирования, однако этому не придавалось особого значения. Новое исследование показало, что если учесть линейную зависимость между легированием и плазменной частотой в формуле для коэффициента наклона A, то коэффициент в уравнении для планковского предела рассеяния становится постоянным, и универсальность этого предела восстанавливается.

Связь между плазменной частотой и легированием

Физики также объяснили, почему плазменная частота линейно зависит от легирования. На основе экспериментальных данных было рассчитано, что фактор, описывающий степень изменения электронной структуры материала, примерно равен доле дырок в материале.

Итоги исследования

В результате работы удалось устранить противоречие между экспериментальными данными и теорией. Было показано, что рассеяние электронов в купратах в состоянии странного металла не зависит от легирования. Зависимость сопротивления от легирования обусловлена изменением электронной структуры материала, а не механизмом рассеяния. Для теории сверхпроводимости важно, что свойства состояния странного металла определяются внутренним строением вещества.