Två forskare vid Harvard University, Aavishkar A. Patel och Subir Sachdev, har nyligen presenterat en ny teori om en planckisk metall som skulle kunna kasta ljus över tidigare okända aspekter av kvantfysiken. Deras papper, publicerad i Fysiska granskningsbrev , introducerar en gittermodell av fermioner som beskriver en planckisk metall vid låga temperaturer ( T -> 0 ).

Metaller innehåller många elektroner, som leder elektrisk ström. När fysiker överväger det elektriska motståndet hos metaller, de uppfattar det i allmänhet som att det uppstår när flödet av strömförande elektroner avbryts eller försämras på grund av elektroner som sprider sig från föroreningar eller från kristallgittret i metallen.

"Den här bilden, framställd av Drude 1900, ger en ekvation för det elektriska motståndet i termer av hur mycket tid elektroner tillbringar med att röra sig fritt mellan på varandra följande kollisioner, " berättade Patel för Phys.org. "Längden på detta tidsintervall mellan kollisioner, kallad avslappningstiden, ' eller 'elektronlyfttid, ' är vanligtvis tillräckligt lång i de flesta vanliga metaller för att elektronerna ska definieras som distinkta, mobila föremål till en mikroskopisk observatör, och Drude-bilden fungerar anmärkningsvärt bra."

Även om teorin som Drude föreslagit har visat sig vara tillämpbar på flera metaller, det finns andra metaller som uppvisar olika beteende, framför allt de som produceras när högtemperatursupraledare värms över sin supraledande övergångstemperatur eller när supraledning undertrycks genom att applicera ett magnetfält. I dessa okonventionella metaller, den uppenbara avkopplingstiden är mycket kort, specifikt i storleksordningen Plancks konstant dividerad med Boltzmanns konstant gånger temperatur (dvs. ℏ/( k _B T )).

Detta fenomen är känt som Planckian dissipation, och dessa metaller kallas följaktligen planckiska metaller. Den korta elektronlivslängden som observerats i dessa metaller tyder på att enskilda elektroner inte längre kan ses som väldefinierade objekt, vilket gör det mer utmanande att beskriva dem matematiskt.

"Vad som verkligen är förvånande är att i en mängd olika sådana material med olika elektron-elektroninteraktionsstyrkor (även om de alla har starkt interagerande elektroner), det numeriska värdet för elektronens livslängd verkar vara mycket nära exakt ℏ/( k _B T ), Patel förklarade. "Detta betyder att det finns en universell teori som beskriver alla sådana "märkliga metaller, ' som har fortsatt att gäcka forskare hittills."

Medveten om denna lucka i litteraturen, Patel och Sachdev satte sig för att utveckla en matematiskt korrekt kvantmekanisk beskrivning av dessa konstiga metaller. Det viktigaste antagandet bakom deras arbete var att interaktioner mellan elektroner inte bevarar momentum, och att detta vanligtvis händer i ett system med mikroskopiska oegentligheter, känd som störning.

Tidigare studier visade att allt material som visar detta 'konstiga metallbeteende' uppvisar betydande störningar. I deras studie, Patel och Sachdev betraktade separat interaktioner mellan elektroner som sparar energi och interaktioner mellan de som inte gör det.

"De energi-icke-bevarande interaktionerna "renormaliserar" elektronerna (dvs. de ändrar sin massa), De energibesparande (eller "resonanta") interaktionerna, vars effekter vi beräknar exakt, leda till en elektronlivslängd på nästan exakt ℏ/(kBT) när vi försöker uttrycka det elektriska motståndet med Drude-formeln, sade Patel. Dessutom, vi finner att denna livslängd är oberoende av den exakta styrkan hos elektron-elektron-interaktionerna i enlighet med experimentella observationer."

Förutom att tillhandahålla en matematiskt noggrann och lösbar modell för Planckian dissipation, teorin utvecklad av Patel och Sachdev beskriver en unik signatur i elektronspektralfunktionen, vilket är en matematisk storhet som mäter antalet enelektronkvanttillstånd som är tillgängliga vid en viss energi. Intressant, denna karakteristiska signatur kan mätas i fotoemissionsexperiment.

"Hastigheten hos elektronerna som är ansvariga för att bära ström bromsas kraftigt till en kvantitet som är proportionell mot systemets temperatur, " Patel förklarade. "Detta borde vara synligt experimentellt genom att observera spridningen av toppen i elektronspektralfunktionen."

En ytterligare intressant aspekt av den nya teorin som forskarna föreslår är att de kvantmekaniska vågfunktionerna som presenteras i den är nära besläktade med Sachdev-Ye-Kitaev-modellen, som är kopplat till de svarta hålens fysik. Om deras idéer är giltiga, de skulle också antyda att det finns djupa fysiska kopplingar mellan svarta hål och konstiga metaller.

"Kopplingen till Sachdev-Ye-Kitaev-modellen belyser vikten av kvantintrång med många partiklar, ", sa Sachdev. "Kallas ibland 'spöklik action på avstånd,' ' kvantintrassling är kanske den mest nya egenskapen hos kvantteorin:förmågan att skapa tillstånd där observation av en partikel kan påverka tillståndet för alla andra partiklar, även de som är väldigt långt borta. Vårt arbete visar att smaken av kvantintrassling skapad av Sachdev-Ye-Kitaev-modellen är nära kopplad till den i konstiga metaller, och i svarta hål."

I framtiden, den modell som Patel och Sachdev föreslagit kan få viktiga konsekvenser för fysikområdet. Faktiskt, förutom att tillhandahålla en teori som skulle kunna belysa beteendet hos planckiska metaller, deras papper pekar på ett möjligt samband mellan dessa "ovanliga" metaller och svarta hål. Forskarna hoppas att deras studie så småningom kommer att svara på några av de grundläggande frågorna i samband med kvantteorier om svarta hål, inklusive Hawkings informationsparadox.

"Vi planerar nu att undersöka hur den specifika exakt lösbara formen av elektron-elektron-interaktioner som vi använder i vår teori kan uppstå från konventionella metoder för att studera interagerande oordnade elektroner, kanske genom att göra några okonventionella antaganden som kan motiveras i efterhand, ", sa Patel. "Det finns också andra kvantmekaniska material som är elektriska isolatorer (inte metaller), men visar analoger till fenomenet metallisk planckisk dissipation i deras värmeledningsförmåga. Det skulle vara intressant att se om våra strategier kunde utveckla fungerande teorier för dem, för, på liknande sätt. "

© 2019 Science X Network