Физики получили прямое подтверждение парадокса Клейна
Физики напрямую пронаблюдали туннелирование Клейна с помощью акустических волн, распространяющихся в гетероструктуре, сформированной из фононных кристаллов. Это было сделано впервые за почти сто лет с момента предсказания эффекта. Работа опубликована в журнале Science.
Условия для наблюдения предсказываемых теоретиками эффектов бывают весьма экстремальными не только для земных лабораторий, но даже и для космических объектов. Чтобы хоть как-то выйти из этой ситуации, физики придумывают эксперименты, в которых можно увидеть аналоги этих эффектов. При этом роль одних частиц или объектов играют другие частицы и объекты, чьи параметры и взаимодействия можно легко воспроизводить и контролировать.
Так, например, ученые смогли пронаблюдать аналог спонтанного рождения электрон-позитронных пар из вакуума под действием сверхинтенсивных полей, напряженность которых превышает предел Швингера, равный 1,3 × 1018 вольт на метр. Это было сделано с помощью света, распространяющегося в метаматериале. Однако куда больше «повезло» черным дырам и их хокинговскому излучению: были экспериментально получены их аналоги на холодных атомах, оптических волокнах и даже сверхкритических ядрах.
В этом же духе велась работа по подтверждению парадокса Клейна, то есть ситуации, при которой частицы, двигающиеся в релятивистском режиме, проходят через барьер определенной конфигурации со 100-процентной вероятностью, что невозможно ни в нерелятивистской квантовой механике, ни тем более в классической физике. Наблюдение этого парадокса в том виде, в котором он был изначально сформулирован в 1929 году Оскаром Клейном, столкнулось с трудностями, связанными с разгоном электронов до релятивистских скоростей и создании нужного барьера.
Однако оказалось, что аналоги и того, и другого можно найти в новых материалах, а именно в графене и в топологических изоляторах. Однако в обоих случаях наблюдение эффекта Клейна было лишь косвенным. Чтобы закрыть этот пробел, профессор Сюэ Цзян (Xue Jiang) из Гонконгского университета с коллегами сконструировали экспериментальную систему, в которой роль релятивистских частиц играют фононы, а барьер создается с помощью фононных кристаллов.
Фононные кристаллы — это искусственные периодические среды, в которых распространение звука сопровождается теми же процессами, что происходят при движении электрона по решетке обычных кристаллов. В первую очередь это касается модификации дисперсионных соотношений, то есть связи энергия-импульс у частицы. Оказалось, что при некоторых условиях дисперсионные соотношения фононов становятся похожими на дисперсионные соотношения релятивистских электронов и позитронов, которые являются практически линейными функциями. Это позволяет рассматривать кванты звука как аналоги таких частиц, и, как следствие, пронаблюдать туннелирование Клейна в весьма простых лабораторных условиях.
Для этого авторами работы была изготовлена трехслойная гетероструктура, каждый слой которой являлся фононным кристаллом. Фононные кристаллы представляли собой двумерную гексагональную решетку, сформированную из акриловых цилиндров. Первый и последний слой были одинаковыми, а промежуточный слой отличал иной радиус цилиндров, при том, что во всех трех случаях период решетки был одинаковым и составлял 28 миллиметров. Из-за различия в дисперсионных кривых такая система образовывала потенциальный барьер для фононов, чьи частоты находились в диапазоне от 5 до 8 килогерц. Шириной барьера можно было управлять, наращивая число цилиндров во втором слое, а высоту — меняя их радиус. Так, радиусы, равные 5, 7 и 8,25 миллиметра, создавали барьер высотой 470, 652 и 1010 герц, соответственно.
В результате авторы для каждой конфигурации обнаружили участки частот, для которых коэффициент пропускания действительно был близок к 100 процентам. Левее и правее этих диапазонов пропускание уменьшалось, причем, это уменьшение было тем сильнее, чем сильнее проявлялась нелинейность фононных дисперсионных соотношений. Отклонение пропускаемости от 100 процентов объясняется авторами целым рядом причин, начиная от неидеальности образцов и заканчивая тем, что теория эффекта была выведена для случая бесконечных сред по обе стороны барьера.
Стоит также отметить, что все эксперименты сопровождались численным моделированием прохождения звука через гетероструктуру, выполненным с помощью метода конечных элементов, что обеспечило достоверность полученных результатов. Помимо важности работы с точки зрения подтверждения теории, ее результаты могут быть использованы для улучшения прохождения звуков через разнообразные интерфейсы. Это может быть полезно при решении многих технических задач, начиная от создания подводных сонаров и заканчивая медициной.
Фононы не в первый раз привлекают внимание ученых. Не так давно физики научились видеть единичные кванты звука, охлаждать их с помощью лазера и даже обнаружили у них отрицательную массу.
Марат Хамадеев
Пока эти результаты вызывают сомнения
Физики из Южной Кореи обнаружили у апатита свинца, в котором часть атомов свинца замещена медью, сверхпроводящие свойства при комнатной температуре. Ученые утверждают, что полученный методом твердотельного синтеза материал — первый сверхпроводник при комнатной температуре и атмосферном давлении. Температура перехода разрушения сверхпроводящего состояния достигает в нем 127 градусов Цельсия, пишут исследователи в препринтах (1, 2) на arXiv.org. Впрочем, некоторые физики уже выразили сомнения в обоснованности опубликованных результатов. Сверхпроводимость — эффект, при котором у некоторых материалов электрическое сопротивление становится нулевым, — обычно наблюдается при экстремально низких температурах. Лишь в конце XX века удалось получить материалы, обладающие высокотемпературной сверхпроводимостью. Первым материалом с критической температурой (Тс) выше точки кипения азота (-195,8 градуса Цельсия) был оксид итрия-бария-меди. Только в 2010-х годах были открыты новые типы сверхпроводников, способных сохранять свои свойства при температурах, более близких к комнатной. При сверхвысоких давлениях (более миллиона атмосфер) сверхпроводящие свойства возникают и у гидридов многих элементов, например, у сероводорода. Недавно физики подтвердили наличие сверхпроводимости гидрида лантана LaH10 при −23 градусах Цельсия. Уже в этом году американские ученые получили сверхпроводимость гидрида лютеция, легированного азотом, при комнатной температуре и умеренно экстремальном давлении. Впрочем, другие группы воспроизвести их результаты пока не смогли. Группа корейских физиков под руководством Ли Сукбэ (Sukbae Lee) из Центра исследований квантовой энергии обнаружила, что в материале на основе апатита свинца Pb10-xCux(PO4)6O (доля x составляет от 0,9 до 1,1) сверхпроводящие свойства наблюдаются при комнатной температуре и атмосферном давлении, то есть без необходимости сжимать образец до сотен миллионов атмосфер. Материал LK-99 получен с помощью твердотельного синтеза в герметичной трубке, вакуумированной до 1,3 × 10-6 атмосфер. Анализ полученного порошка LK-99 при помощи рентгеновской дифракции показал, что величина постоянной его кристаллической решетки на 0,48 процентов меньше, чем у апатита свинца. Ученые связали это изменение с частичным замещением атомов свинца на более компактные по размеру атомы меди. Авторы исследования полагают, что это привело к возникновению внутренних механических напряжений в кристалле, которые в конечном итоге и стали причиной сверхпроводимости. Наличие сверхпроводимости в материале ученые подтвердили, наблюдая левитацию образца в магнитном поле за счет эффекта Мейснера, а также исследуя зависимость удельного сопротивления вещества от температуры. Физики определили, что критическая температура (Тс), при которой образец LK-99 терял сверхпроводящие свойства, составляет от 104 до 127 градусов Цельсия. Ниже этой температуры ученые выделили несколько характерных участков. В диапазоне до примерно 60 градусов Цельсия удельное сопротивление практически равнялось нулю с незначительными шумовыми сигналами. При более высоких температурах наблюдался плавный рост удельного сопротивления. Авторы интерпретировали этот рост как локальные нарушения сверхпроводимости в отдельных областях поликристаллического образца. Если результаты корейских физиков подтвердятся, LK-99 может стать первым веществом со сверхпроводимостью при комнатной температуре и атмосферном давлении. Впрочем, исследования сверхпроводимости при комнатной температуре часто вызывают вопросы у научного сообщества, даже если добираются до публикации в рецензируемых журналах. Например, после проверок в 2022 году из Nature отозвали статью американских исследователей, которые нашли сверхпроводимость при 17 градусах Цельсия в смеси сероводорода, метана и водорода. Технические вопросы, из-за которых отозвали статью о сверхпроводимости углеродистого сероводорода, возникли и к этой работе. Так, сомнения в обоснованности выводов корейских ученых высказал профессор химического факультета МГУ Евгений Антипов, который вместе с Сергеем Путилиным открыл в 1993 году новое семейство ртутьсодержащих сверхпроводящих купратов. Один из них — HgBa2Ca2Cu3O8+x — на настоящий момент имеет рекордную подтвержденную на данный момент критическую температуру, −138 градусов Цельсия. В разговоре с N + 1 химик прокомментировал открытие коллег: «Я не думаю, что эта статья выйдет в каком-либо серьезном журнале, потому что она не отвечает принятым стандартам. У меня вызывает большие сомнения возможность реализации сверхпроводимости в соединении с такой формулой. Это оксофосфат двухвалентного свинца, а двухвалентный свинец отличается тем, что у него свободные электроны локализованы, они не могут переходить в зону проводимости — а значит они будут локализованы на катионах свинца». Вопросы у Антипова вызвала и возможность замещения двухвалентного свинца на двухвалентную медь в том синтезе, который проводили корейские ученые: «Представленные данные не убеждают в возможности такого замещения, так как в образце присутствует примесь сульфида меди Cu2S. С точки зрения кристаллохимии это выглядит не очень обоснованно, а с точки зрения эксперимента — они получили образец с примесями, при этом примеси там много. Поэтому говорить, что медь находится в позиции свинца, когда она присутствует в виде примесей — не обосновано». Физики продолжают изучать различные вещества и способы достичь высокотемпературной сверхпроводимости. Например, ранее мы писали, как сверхпроводимость ищут даже в радиоактивных веществах. О том как механическое напряжение помогает получить состояние сверхпроводимости в графене читайте в нашем материале «Тонко закручено».