Странное квантовое правило ограничивает электрическое сопротивление

Художественное изображение удельного сопротивления, возникающего в результате холодных атомных столкновений. Исследователи, изучающие индуцированное взаимодействием сопротивление ультрахолодных атомов в ландшафте, напоминающем шахматную доску, наблюдают квантовое увеличение вероятности их столкновения, подобно тому, как утки, движущиеся в пузырях, сталкивались бы так, будто они размером с эти пузыри, а не с их фактический размер. Кредит: Хайвэй Хоу

Физики-экспериментаторы обнаружили, что электрическое сопротивление, вызванное столкновениями частиц, по-видимому, имеет максимальный предел.

Исследователи из Университета Торонто, Высшей нормальной школы Парижа и Университета Лихай в Пенсильвании пришли к этому выводу, изучая ультрахолодные атомы калия, охлажденные почти до абсолютного нуля. По мере того как ученые увеличивали частоту столкновений между атомами, сопротивление сначала росло. Однако после определенного момента оно переставало увеличиваться.

Этот результат дает более детальное представление о том, как развивается удельное сопротивление на микроскопическом уровне.

Почему электрическое сопротивление важно

«Известно, что столкновения электронов друг с другом увеличивают удельное сопротивление в некоторых чистых материалах, — объясняет профессор Джозеф Тайвиссен с физического факультета и из Центра квантовой информации и квантового контроля факультета искусств и наук Университета Торонто, старший автор исследования, опубликованного в Physical Review Letters. — Энергия, производимая электрическим сопротивлением, проявляется в виде тепла. Линии электропередач, например, теряют до восьми процентов вырабатываемой электроэнергии. Удельное сопротивление также интересно изучать, потому что оно может быть признаком новой физики в материалах».

Чтобы исследовать эти столкновения в строго контролируемых условиях, команда использовала оптическую решетку. Эта сетка из света удерживает атомы и позволяет им имитировать поведение электронов, движущихся через твердое тело.

Установка позволила воссоздать экстремальные условия, недостижимые в обычных твердых материалах, при этом изолируя эффекты столкновений частиц.

Ультрахолодные атомы имитируют электроны

«Мы наблюдали, что атомы, размер которых составляет всего несколько нанометров, сталкиваются друг с другом так, как если бы они были гораздо больше, — говорит Тайвиссен. — Это квантовое увеличение эффективного размера атома делает столкновения в данном узле решетки гораздо более вероятными, увеличивая удельное сопротивление системы».

По мере усиления взаимодействий удельное сопротивление, вызванное столкновениями, в конечном итоге выходило на плато вместо того, чтобы продолжать расти. Исследователи говорят, что это насыщение позволяет предположить, что столкновения электронов в металле также могут иметь аналогичный верхний предел.

Новое окно в квантовые материалы

Полученные результаты дают более четкое микроскопическое объяснение того, как ведет себя сопротивление в металлах с низкой плотностью. Они также могут помочь направить будущие исследования сильно коррелированных атомных систем и квантовых материалов, где частицы взаимодействуют необычно сложными способами.

«Наши результаты дают четкое микроскопическое понимание того, как работает удельное сопротивление в металлах с низкой плотностью, и открывают дверь для новых исследований сильно коррелированных атомных систем и квантовых материалов», — говорит Тайвиссен.

Источники:

Материалы предоставлены Университетом Торонто.

Frank Corapi, Robyn T. Learn, Benjamin Driesen, Antoine Lefebvre, Xavier Leyronas, Frédéric Chevy, Cora J. Fujiwara, Joseph H. Thywissen. Lattice Unitarity: Saturated Collisional Resistivity in Hubbard Metals. Physical Review Letters, 2026; 136 (21) DOI: 10.1103/bhw8-p536