作者：尤金妮·塞缪尔·赖希
弦理论被一些物理学家寄予厚望，希望它能够统一引力和量子力学，而现在弦理论可能已经找到了实际应用。弦理论预测的一种黑洞可能有助于解释一类被称为“奇异金属”的神秘材料的性质。
奇异金属的电阻随温度线性增加，而不是像正常金属那样随温度的平方增加。它们还具有其他的能量激发，可以被认为是特别短寿命的粒子。
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奇异金属包括高温超导体，这种超导体在低于通常定义为高于液氮沸点（−196 °C）的临界温度时，完全没有电阻。它们的性质困扰了凝聚态物理学家 20 多年，因为奇异金属无法用费米液体模型来解释，而费米液体模型可以捕捉正常金属的性质。
2003 年，哈佛大学（位于马萨诸塞州剑桥市）的凝聚态物理学家苏比尔·萨克德夫和他的同事们提出了一个新的模型，称为分形费米液体 (FFL)，该模型似乎可以解释奇异金属的某些性质，包括其电阻随温度的变化1。与标准的费米液体模型不同，在 FFL 中，材料中某些电子的量子力学自旋是连接在一起的。
现在，在 10 月 4 日发表于《物理评论快报》2 的一篇论文中，萨克德夫表明，FFL 模型的特性与弦理论中一类黑洞的特性相匹配。“我们离说弦理论解释奇异物质还很远，但我们抱有希望，”萨克德夫说。“这非常令人兴奋，因为它是一个全新的视角。” 他补充说，他一直在以惊人的速度学习弦理论。
从涂抹到晶格
萨克德夫的结果建立在麻省理工学院理论物理学家约翰·麦格里维和他的同事们的工作基础上，他们在 2009 年开始将称为 AdS/CFT 对偶的弦理论猜想应用于奇异金属。AdS/CFT 对偶在量子系统和引力物体之间建立了一种数学等价关系。麦格里维承认，他和他的同事们研究的量子系统非常抽象，因为它们的性质在空间中是连续涂抹开来的，而不是以阶梯式量子方式变化的。麦格里维说，萨克德夫通过将引力物体，一种黑洞，应用于性质沿晶格阶梯式变化的量子系统，提出了一个更现实的模型，就像奇异金属的晶格结构一样。“这仍然不是真实材料的模型，但朝着这个方向迈进了一步，”麦格里维说。
这并非弦理论首次应用于凝聚态物理学中的问题。2004 年，现在在加拿大不列颠哥伦比亚省维多利亚大学的帕维尔·科夫顿和他的同事们使用弦理论来描述在纽约州阿普顿的布鲁克海文国家实验室的 RHIC 加速器碰撞中产生的基本粒子汤，称为夸克-胶子等离子体。但那一直被认为是一个相当孤立的例子，而其他尝试将 AdS/CFT 对偶应用于凝聚态系统（包括超导体）的尝试，并没有真正成功地与现实模型联系起来，加利福尼亚大学圣巴巴拉分校的弦理论家乔·波尔钦斯基说。
物理学前沿
希望现在可以利用弦理论的技巧来改进 FFL 模型。其存在问题的一个方面是预测了一种物质状态，该状态在绝对零度（0 开尔文）时仍然具有一定程度的有序性（非零熵）。这违反了热力学第三定律，该定律指出，对于 FFL，当系统冷却到绝对零度时，熵应趋于零。萨克德夫说，他一直认为这是他的理论的一个缺点，但其他物理学家认为，这可能反而是在说明真实材料的一些深刻之处。“我们永远不知道这是一个缺陷还是一个特征，”波尔钦斯基说。
在最新的工作中，萨克德夫表明，FFL 模型的弦理论版本也违反了绝对零度下的热力学第三定律。波尔钦斯基说，同一个问题在完全不同的数学框架中出现，表明它指向了真实世界中的某些东西。萨克德夫说，还需要做更多的工作才能确定这一点。
麦格里维认为，该理论正在发出自身不稳定性的信号，因此真实材料将在高于 0 K 的温度下转变为另一种相。在对萨克德夫的文章3 的一篇评论文章中，麦格里维说，众所周知，高温超导体在冷却时会从奇异金属行为转变为超导，从而避免进入零熵状态。
即使弦理论成功地帮助凝聚态物理学家弄清楚奇异金属，这也不一定意味着弦理论是对基本粒子和引力的正确描述。然而，这将意味着弦理论已经对某些事物有用。“这是一个重要的前沿，”麦格里维说。