Физики обнаружили верхний предел сопротивления чистого металла
Физики обнаружили, что электрическое сопротивление, возникающее из-за столкновений между электронами в металле, не может превышать некоторого максимального значения. Этим наблюдением они поделились в журнале Physical Review Letters.
Исследователи изучали атомы калия, охлажденные до температуры, близкой к абсолютному нулю. Оказалось, по мере увеличения частоты столкновений между ними сопротивление вначале растет, но затем перестает повышаться и выходит на плато. Это открытие дает новые представления о физической природе сопротивления электрическому току на микроскопическом уровне.
«Известно, что в некоторых чистых материалах столкновения электронов друг с другом приводят к росту сопротивления. Энергия, выделяющаяся за счет электрического сопротивления, превращается в тепло. Например, в линиях электропередачи теряется до 8% генерируемой мощности. Кроме того, резистивность интересна и с фундаментальной точки зрения — ее необычное поведение может служить признаком новой физики в материалах», — говорит профессор Джозеф Твиссен из Университета Торонто, старший автор исследования.
Для моделирования экстремальных условий, недостижимых в твердых телах, исследователи использовали оптическую решетку — световую периодическую структуру, которая удерживает атомы и заставляет их вести себя подобно электронам в кристалле. Благодаря высокой степени контроля над системой ученые смогли выделить вклад именно столкновений.
«Мы наблюдали, что атомы, размер которых составляет всего несколько нанометров, сталкиваются друг с другом так, будто они гораздо крупнее. Это квантовое увеличение эффективного размера атомов значительно повышает вероятность столкновений в каждом узле решетки, что и ведет к росту сопротивления системы», — объясняет физик.
При достаточно сильном взаимодействии между атомами сопротивление, обусловленное столкновениями, достигает насыщения и перестает расти. Авторы полагают, что и в настоящих металлах вклад электрон-электронного рассеяния в сопротивление также ограничен сверху по аналогичным причинам.
«Наши результаты дают ясное микроскопическое объяснение, как работает сопротивление в металлах с низкой плотностью носителей, и открывают новые возможности для изучения сильно коррелированных атомных систем и квантовых материалов», — подытожил Твиссен.
