Även med kvantfysikernas mått, konstiga metaller är helt enkelt udda. Materialen är relaterade till högtemperatursupraledare och har överraskande kopplingar till egenskaperna hos svarta hål. Elektroner i konstiga metaller försvinner energi så snabbt som de tillåts enligt kvantmekanikens lagar, och den elektriska resistiviteten hos en konstig metall, till skillnad från vanliga metaller, är proportionell mot temperaturen.

Att generera en teoretisk förståelse av konstiga metaller är en av de största utmaningarna inom den kondenserade materiens fysik. Nu, använda banbrytande beräkningstekniker, forskare från Flatiron Institute i New York City och Cornell University har löst den första robusta teoretiska modellen av konstiga metaller. Verket avslöjar att konstiga metaller är ett nytt tillstånd av materia, forskarna rapporterar 22 juli i Förfaranden från National Academy of Sciences .

"Det faktum att vi kallar dem konstiga metaller borde berätta hur väl vi förstår dem, "säger studieförfattaren Olivier Parcollet, en senior forskare vid Flatiron Institutes Center for Computational Quantum Physics (CCQ). "Konstiga metaller delar anmärkningsvärda egenskaper med svarta hål, öppnar spännande nya riktningar för teoretisk fysik."

Förutom Parcollet, forskargruppen bestod av Cornell doktorand Peter Cha, CCQ associerad dataforskare Nils Wentzell, CCQ-chefen Antoine Georges, och Cornell fysikprofessor Eun-Ah Kim.

I den kvantmekaniska världen, elektrisk motstånd är en biprodukt av elektroner som stöter på saker. När elektroner flyter genom en metall, de studsar bort andra elektroner eller föroreningar i metallen. Ju mer tid det är mellan dessa kollisioner, desto lägre är materialets elektriska motstånd.

För typiska metaller, elektriskt motstånd ökar med temperaturen, efter en komplex ekvation. Men i ovanliga fall, till exempel när en högtemperatursupraledare värms upp precis över punkten där den slutar att supraledande, ekvationen blir mycket mer okomplicerad. I en konstig metall, elektrisk ledningsförmåga är direkt kopplad till temperaturen och till två grundläggande konstanter i universum:Plancks konstant och Boltzmanns konstant. Följaktligen, konstiga metaller är också kända som planckiska metaller.

Modeller av konstiga metaller har funnits i årtionden, men att korrekt lösa sådana modeller visade sig vara utom räckhåll med befintliga metoder. Kvantförvecklingar mellan elektroner gör att fysiker inte kan behandla elektronerna individuellt, och det stora antalet partiklar i ett material gör beräkningarna ännu mer skrämmande.

Cha och hans kollegor använde två olika metoder för att knäcka problemet. Först, de använde en kvantinbäddningsmetod baserad på idéer som utvecklades av Georges i början av 90-talet. Med denna metod, istället för att utföra detaljerade beräkningar över hela kvantsystemet, fysiker utför detaljerade beräkningar på bara några atomer och behandlar resten av systemet enklare. De använde sedan en Monte Carlo-kvantalgoritm (uppkallad efter medelhavskasinot), som använder slumpmässigt urval för att beräkna svaret på ett problem. Forskarna löste modellen av konstiga metaller ner till absoluta nollpunkten (minus 273,15 grader Celsius), den oåtkomliga nedre gränsen för temperaturer i universum.

Den resulterande teoretiska modellen avslöjar förekomsten av konstiga metaller som ett nytt tillstånd av materia som gränsar till två tidigare kända faser av materia:Mott-isolerande spinnglas och Fermi-vätskor. "Vi fann att det finns en hel region i fasutrymmet som uppvisar ett planckiskt beteende som inte hör till någon av de två faserna som vi övergår mellan, " säger Kim. "Det här kvantspinnvätsketillståndet är inte så låst, men det är inte heller helt gratis. Det är en trög, soppa, slaskigt tillstånd. Den är metallisk men motvilligt metallisk, och det pressar graden av kaos till gränsen för kvantmekaniken."

Det nya arbetet kan hjälpa fysiker att bättre förstå fysiken hos supraledare med högre temperatur. Kanske överraskande, verket har kopplingar till astrofysik. Som konstiga metaller, svarta hål uppvisar egenskaper som endast beror på temperaturen och Planck- och Boltzmann -konstanterna, till exempel hur lång tid ett svart hål "ringar" efter att ha slagits samman med ett annat svart hål. "Det faktum att du hittar samma skalning över alla dessa olika system, från planckiska metaller till svarta hål, är fascinerande, " säger Parcollet.