Formen tro, ett "konstigt metall" kvantmaterial visade sig vara märkligt tyst i de senaste kvantbrusexperimenten vid Rice University. Publicerad denna vecka i Science , mätningarna av kvantladdningsfluktuationer som kallas "skottbrus" ger det första direkta beviset för att elektricitet verkar flöda genom konstiga metaller i en ovanlig vätskeliknande form som inte lätt kan förklaras i termer av kvantiserade laddningspaket som kallas kvasipartiklar.

"Ljudet är kraftigt undertryckt jämfört med vanliga ledningar", säger Doug Natelson från Rice, studiens motsvarande författare. "Kanske är detta bevis på att kvasipartiklar inte är väldefinierade saker eller att de helt enkelt inte finns där och laddningen rör sig på mer komplicerade sätt. Vi måste hitta rätt ordförråd för att prata om hur laddning kan röra sig kollektivt."

Experimenten utfördes på nanoskala trådar av ett väl studerat kvantkritiskt material med ett exakt 1-2-2 förhållande av ytterbium, rodium och kisel (YbRh₂ Si₂ ). Materialet innehåller en hög grad av kvantintrassling som ger temperaturberoende beteende.

Om det kyls under en kritisk temperatur, till exempel, övergår materialet omedelbart från icke-magnetiskt till magnetiskt. Vid temperaturer något över den kritiska tröskeln, YbRh₂ Si₂ är en "tung fermion" metall, med laddningsbärande kvasipartiklar som är hundratals gånger mer massiva än bara elektroner.

I metaller är varje kvasipartikel, eller diskret enhet, av laddning produkten av oöverskådliga små interaktioner mellan otaliga elektroner. För första gången presenterades för 67 år sedan, kvasipartikeln är ett begrepp fysiker använder för att representera den kombinerade effekten av dessa interaktioner som ett enda kvantobjekt för kvantmekaniska beräkningar.

Vissa tidigare teoretiska studier har föreslagit att konstiga metallladdningsbärare kanske inte är kvasipartiklar, och skottljudsexperiment tillät Natelson, studiens huvudförfattare Liyang Chen, en före detta student i Natelsons labb, och mer än ett dussin medförfattare från Rice och tekniska universitetet från Wien (TU-Wien) för att samla de första direkta empiriska bevisen för att testa idén.

"Mätningen av skottbrus är i grunden ett sätt att se hur granulär laddningen är när den går igenom något", säger Natelson, professor i fysik och astronomi, elektro- och datateknik samt materialvetenskap och nanoteknik.

"Tanken är att om jag kör en ström så består den av ett gäng diskreta laddningsbärare. De kommer med en genomsnittlig hastighet, men ibland råkar de vara närmare varandra i tiden, och ibland är de längre ifrån varandra."

Att tillämpa tekniken i kristaller gjorda av förhållandet 1-2-2 av ytterbium, rodium och kisel gav betydande tekniska utmaningar. Till exempel måste de kristallina filmerna, som odlades i laboratoriet av den ledande TU-Wiens medförfattare Silke Paschen, vara nästan perfekta. Och Chen var tvungen att hitta ett sätt att bibehålla den nivån av perfektion samtidigt som han tillverkade trådar från kristallen som var ungefär 5 000 gånger smalare än ett människohår.

Rice medförfattare Qimiao Si, huvudteoretikern för studien och Harry C. och Olga K. Wiess professor i fysik och astronomi, sa att han, Natelson och Paschen först diskuterade idén till experimenten medan Paschen var gästforskare vid Rice 2016. Si sa att resultaten överensstämmer med en teori om kvantkriticitet som han publicerade 2001 och har fortsatt att utforska i ett nästan två decenniums samarbete med Paschen.

"Det låga bruset medförde nya insikter om hur laddningsströmbärarna flätas samman med andra agenter för kvantkriticiteten som ligger till grund för den märkliga metalliciteten", säger Si, vars grupp utförde beräkningar som uteslöt kvasipartikelbilden. "I denna teori om kvantkriticitet pressas elektronerna till gränsen till lokalisering, och kvasipartiklarna går förlorade överallt på Fermi-ytan."

Natelson sa att den större frågan är om liknande beteende kan uppstå i någon eller alla av de dussintals andra föreningar som uppvisar konstigt metallbeteende.

"Ibland känns det som om naturen säger dig något," sa Natelson. "Denna "märkliga metallicitet" dyker upp i många olika fysikaliska system trots att den mikroskopiska, underliggande fysiken är väldigt annorlunda. I exempelvis kopparoxidsupraledare är den mikroskopiska fysiken väldigt, väldigt annorlunda än i det tunga fermionsystemet. vi tittar på. De verkar alla ha denna linjära temperaturresistivitet som är karakteristisk för konstiga metaller, och du måste undra om det är något generiskt på gång som är oberoende av vilka mikroskopiska byggstenar som finns inuti dem. /P>

Mer information: Liyang Chen et al, Skottljud i en konstig metall, Science (2023). DOI:10.1126/science.abq6100. www.science.org/doi/10.1126/science.abq6100

Journalinformation: Vetenskap

Tillhandahålls av Rice University