Physiker haben die Stringtheorie verwendet, um das Phänomen der Hochtemperatur-Supraleitung zu modellieren.
Seit Jahrzehnten versuchen Physiker, zwei Haupttheorien miteinander zu verknüpfen, die das Verh alten von Objekten in der Makro- und Mikrowelt beschreiben. Eine von ihnen – die Allgemeine Relativitätstheorie (GR) von Einstein – erklärt das Verh alten von Körpern mit großen Massen in Form von Gravitationseffekten, die durch die Deformation der Raumzeit verursacht werden. Auf subatomarer Ebene werden jedoch die Gesetze der Quantenmechanik verwendet, um das Verh alten extrem kleiner Teilchen zu beschreiben.
Der Traum der Physiker ist eine „Theorie von allem“, die jede physikalische Interaktion abdeckt, unabhängig von der Größe der untersuchten Objekte. Einer der beliebtesten Kandidaten für die Rolle als Grundlage der zukünftigen „Theory of Everything“bleibt die Stringtheorie, die Ende der 1960er und Anfang der 1970er Jahre entstand.
Die Stringtheorie besagt, dass Elektronen und Quarks als eindimensional schwingende Saiten betrachtet werden können. Unter den Physikern besteht keine Einigkeit über die Machbarkeit und den wissenschaftlichen Charakter der Stringtheorie, aber viele von ihnen geben zu, dass sie es uns ermöglicht, Phänomene zu erklären, die mit anderen Theorien schwer zu beschreiben sind. In diesem Jahrzehnt haben Wissenschaftler versucht, mithilfe der Stringtheorie eine Brücke zwischen Gravitations- und Quantenmechanik zu schlagen, die als „Gravitations-Dualität“bekannt ist.
Physiker des Massachusetts Institute of Technology (MIT) nutzten diesen Zusammenhang, um ein bestimmtes physikalisches Phänomen zu beschreiben – die Hochtemperatur-Supraleitung. Die Ergebnisse ihrer Arbeit werden in der Fachzeitschrift Science veröffentlicht. Das Forscherteam beschrieb einige Aspekte des Verh altens von Cupraten, kupferh altigen keramischen Supraleitern. Wissenschaftler hoffen, dass sie in der Lage sein werden, eine Theorie zu entwickeln, die andere Materialien beschreibt und es ihnen ermöglicht, ihr Verh alten vorherzusagen.
1986 entdeckten Physiker, dass Cuprate bei relativ hohen Temperaturen - bis zu 135 Grad über dem absoluten Nullpunkt - Supraleitung aufweisen. Im Gegensatz zu den meisten Materialien gehorchen Cuprate nicht den Fermi-Gesetzen, einer Reihe quantenmechanischer Prinzipien, die das Verh alten eines Systems auf mikroskopischer Ebene bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt bestimmen. Stattdessen werden sie zu Supraleitern. Und bei einer Temperatur, die leicht über der liegt, bei der Cuprate beginnen, Supraleitfähigkeit zu zeigen, gehen sie in den sogenannten „Fremdmetall“-Zustand über.
Forscher am MIT haben zwei Eigenschaften bemerkt, die diese "seltsamen Metalle" von Fermi-Flüssigkeiten unterscheiden. In einer gewöhnlichen Fermi-Flüssigkeit sind der elektrische Widerstand und der Elektronenstreukoeffizient proportional zum Quadrat der Temperatur. Und in Cupraten (und anderen Nicht-Fermi-Flüssigkeiten) sind diese Mengen proportional zur Temperatur. Und laut Wissenschaftlern gibt es keine einzige Theorie, die diese Tatsache erklärt.
Anhand der „Gauge-Schwerkraft-Dualität“– der Verbindung zwischen Gravitations- und Quantenmechanik – haben Forscher ein analoges System mit den gleichen ungewöhnlichen Eigenschaften identifiziert, dessen Verh alten gravitationsmechanisch erklärt werden kann. In diesem Fall schlugen Wissenschaftler ein Gravitationssystem mit einem Schwarzen Loch als Modell für das „seltsame Metall“vor. „Dies ist eine mathematische Abstraktion, von der wir hoffen, dass sie dabei helfen wird, Licht in die Physik des Systems zu bringen“, sagt Hong Liu, leitender Forscher.
Das Modell ermöglicht es Ihnen, das Verh alten des Systems bei hohen und niedrigen Elektronenenergien zu untersuchen (Das Energieniveau wird bestimmt, indem die Energie eines angeregten Elektrons mit der durchschnittlichen Energie eines Elektrons im System verglichen wird). Es stellte sich heraus, dass das Modell des Schwarzen Lochs bei niedrigen Energien die gleichen ungewöhnlichen Eigenschaften wie Nicht-Fermi-Flüssigkeiten (z. B. Cuprate) aufweist.
Insbesondere wenn ein Elektron auf dem niedrigstmöglichen Energieniveau in einen angeregten Zustand übergeht (z. B. als Ergebnis einer Kollision mit einem Photon), kann die resultierende Wechselwirkung des Elektrons mit dem verbleibenden Loch nicht beschrieben werden als Wechselwirkung von Quasiteilchen, weil das Elektron verlässt den angeregten Zustand zu schnell. Die Proportionalität des Streukoeffizienten von Elektronen und Temperatur zeigt, dass Elektronen in solchen Systemen viel schneller "an ihren Platz" zurückkehren als in solchen, in denen diese Abhängigkeit quadratisch ist (bei gleicher Temperatur). Dies gilt sowohl für Nicht-Fermi-Flüssigkeiten als auch für ein System mit einem Schwarzen Loch.
Physiker haben eine Reihe von Übereinstimmungen zwischen den Quanteneigenschaften „seltsamer Metalle“und den Gravitationseigenschaften eines Modellsystems mit einem Schwarzen Loch aufgedeckt. Nachdem wir die Eigenschaften des Modells mit Hilfe der Allgemeinen Relativitätstheorie berechnet haben, können wir die Ergebnisse auf das „fremde Metall“-System übertragen. Beispielsweise entspricht die Stärke des elektromagnetischen Feldes im Gravitationssystem der Elektronendichte im Quantensystem.
Wissenschaftler haben früher die Gravitations-Dualitätsmethode verwendet, um einige der Eigenschaften des Quark-Gluon-Plasmas zu beschreiben, aber dieser Ansatz wurde zum ersten Mal verwendet, um die Physik der kondensierten Materie zu verstehen.
Physiker verlassen sich auf die Gravitations-Dualität, um Licht auf eine Gruppe seltener Verbindungen zu werfen, die als schwere Fermionmetalle bekannt sind und in denen sich Elektronen so verh alten, als hätten sie das Hundertfache ihrer normalen Masse. Sie weisen auch Nicht-Fermi-Flüssigkeitseigenschaften auf, die für Cuprate in der "Fremdmetall" -Phase charakteristisch sind.
