Ny teori trækker forbindelser mellem planckiske metaller og sorte huller

To forskere ved Harvard University, Aavishkar A. Patel og Subir Sachdev, har for nylig præsenteret en ny teori om et planckisk metal, der kunne kaste lys over tidligere ukendte aspekter af kvantefysik. Deres papir, udgivet i Fysisk gennemgangsbreve , introducerer en gittermodel af fermioner, der beskriver et planckisk metal ved lave temperaturer ( T -> 0 ).

Metaller indeholder mange elektroner, som bærer elektrisk strøm. Når fysikere overvejer metals elektriske modstand, de opfatter det generelt som opstået, når strømmen af ​​strømførende elektroner afbrydes eller nedbrydes på grund af elektroner, der spreder urenheder eller fra krystalgitteret i metallet.

"Det her billede, fremlagt af Drude i 1900, giver en ligning for den elektriske modstand i form af, hvor meget tid elektroner bruger på at bevæge sig frit mellem på hinanden følgende kollisioner, "Patel fortalte Phys.org." Længden af ​​dette tidsinterval mellem kollisioner, kaldet 'afslapningstid, 'eller' elektronløftetid, 'er typisk lang nok i de fleste almindelige metaller til, at elektronerne kan defineres som adskilte, mobile objekter til en mikroskopisk observatør, og Drude -billedet fungerer bemærkelsesværdigt godt. "

Selvom teorien foreslået af Drude har vist sig at være anvendelig på flere metaller, der er andre metaller, der udviser forskellig adfærd, især dem, der fremstilles, når superledere ved høj temperatur opvarmes over deres superledende overgangstemperatur, eller når superledningen undertrykkes ved at anvende et magnetfelt. I disse ukonventionelle metaller, den tilsyneladende afslapningstid er meget kort, specifikt i størrelsesordenen Plancks konstant divideret med Boltzmanns konstante tidstemperatur (dvs. ℏ/( k _B T ))).

Dette fænomen er kendt som Planckian dissipation, og disse metaller betegnes følgelig som planckiske metaller. Den korte elektroniske levetid observeret i disse metaller tyder på, at individuelle elektroner ikke længere kan ses som veldefinerede objekter, hvilket gør at beskrive dem matematisk mere udfordrende.

"Det, der virkelig er overraskende, er, at i en række sådanne materialer med forskellige elektron-elektron-interaktionsstyrker (selvom de alle har stærkt interagerende elektroner), den numeriske værdi af elektronens levetid synes at være meget tæt på nøjagtigt ℏ/( k _B T ), "Patel forklaret." Det betyder, at der er en universel teori, der beskriver alle sådanne 'mærkelige metaller, 'som har fortsat med at undgå forskere indtil nu. "

Kendt til dette hul i litteraturen, Patel og Sachdev satte sig for at udvikle en matematisk nøjagtig kvantemekanisk beskrivelse af disse mærkelige metaller. Den centrale antagelse bag deres arbejde var, at interaktioner mellem elektroner ikke sparer momentum, og at dette typisk sker i et system med mikroskopiske uregelmæssigheder, kendt som uorden.

Tidligere undersøgelser viste, at alle materialer, der viser denne 'mærkelige metaladfærd', udviser betydelige mængder uorden. I deres undersøgelse, Patel og Sachdev betragtede hver for sig interaktioner mellem elektroner, der sparer energi og interaktioner mellem dem, der ikke gør det.

"De energibesparende interaktioner 'renormaliserer' elektronerne (dvs. de ændrer deres masse), der henviser til, at de energibesparende (eller 'resonante') interaktioner, hvis effekter vi beregner nøjagtigt, føre til en elektronisk levetid på næsten nøjagtigt ℏ/(kBT), når vi forsøger at udtrykke den elektriske modstand ved hjælp af Drude -formlen, "Sagde Patel." Desuden vi finder ud af, at denne levetid er uafhængig af den nøjagtige styrke af elektron-elektron-interaktionerne i overensstemmelse med eksperimentelle observationer. "

Ud over at levere en matematisk nøjagtig og opløselig model til Planckian spredning, teorien udviklet af Patel og Sachdev skitserer en unik signatur i elektronspektralfunktionen, som er en matematisk størrelse, der måler antallet af enkeltelektroniske kvantetilstande, der er tilgængelige ved en bestemt energi. Interessant nok, denne karakteristiske signatur kan måles i fotoemissionsforsøg.

"Hastigheden af ​​elektronerne, der er ansvarlige for at bære strøm, sænkes kraftigt til en mængde, der er proportional med systemets temperatur, "Forklarede Patel." Dette skulle være synligt eksperimentelt ved at observere spredningen af ​​toppen i elektronspektralfunktionen. "

Et yderligere spændende aspekt af den nye teori, som forskerne foreslår, er, at de kvantemekaniske bølgefunktioner, der er præsenteret i den, er tæt forbundet med funktionerne i Sachdev-Ye-Kitaev-modellen, som er forbundet med fysikken i sorte huller. Hvis deres ideer er gyldige, de ville også foreslå, at der er dybe fysiske forbindelser mellem sorte huller og mærkelige metaller.

"Forbindelsen til Sachdev-Ye-Kitaev-modellen fremhæver vigtigheden af ​​mangepartikelkvantindvikling, "Sagde Sachdev." Nogle gange kaldes 'uhyggelig handling på afstand, 'kvanteindvikling er måske den mest nye egenskab ved kvanteteorien:evnen til at skabe tilstande, hvor observation af en partikel kan påvirke tilstanden af ​​alle andre partikler, selv dem meget langt væk. Vores arbejde viser, at smagen af ​​kvanteindvikling skabt af Sachdev-Ye-Kitaev-modellen er tæt forbundet med den i mærkelige metaller, og i sorte huller. "

I fremtiden, modellen foreslået af Patel og Sachdev kan have vigtige konsekvenser for fysikområdet. Faktisk, ud over at give en teori, der kunne belyse planckiske metals adfærd, deres papir peger på en mulig forbindelse mellem disse 'usædvanlige' metaller og sorte huller. Forskerne håber, at deres undersøgelse i sidste ende vil besvare nogle af de grundlæggende spørgsmål, der er forbundet med kvanteteorier om sorte huller, herunder Hawkings informationsparadoks.

"Vi planlægger nu at undersøge, hvordan den specifikke nøjagtigt opløselige form for elektron-elektron-interaktioner, som vi bruger i vores teori, kan stamme fra konventionelle metoder til at studere interagerende uordnede elektroner, måske ved at lave nogle ukonventionelle antagelser, der kan retfærdiggøres efterfølgende, "Patel sagde." Der er også andre kvantemekaniske materialer, som er elektriske isolatorer (ikke metaller), men viser analoger af fænomenet metallisk planckisk spredning i deres varmeledningsevne. Det ville være interessant at se, om vores strategier kunne udvikle brugbare teorier til dem, også, på lignende måde. "

© 2019 Science X Network