Kvantfysikere knækker mysteriet om mærkelige metaller, en ny tilstand

Selv efter kvantefysikernes standarder, mærkelige metaller er simpelthen mærkelige. Materialerne er relateret til høj temperatur superledere og har overraskende forbindelser til egenskaberne ved sorte huller. Elektroner i mærkelige metaller spreder energi så hurtigt, som det er tilladt ifølge kvantemekanikkens love, og den elektriske resistivitet af et mærkeligt metal, i modsætning til almindelige metaller, er proportional med temperaturen.

At generere en teoretisk forståelse af mærkelige metaller er en af ​​de største udfordringer inden for kondenseret fysik. Nu, ved hjælp af banebrydende beregningsteknikker, forskere fra Flatiron Institute i New York City og Cornell University har løst den første robuste teoretiske model af mærkelige metaller. Værket afslører, at mærkelige metaller er en ny tilstand, forskerne rapporterer 22. juli i Procedurer fra National Academy of Sciences .

"Det, at vi kalder dem mærkelige metaller, bør fortælle dig, hvor godt vi forstår dem, "siger studieforfatter Olivier Parcollet, seniorforsker ved Flatiron Institutes Center for Computational Quantum Physics (CCQ). "Mærkelige metaller deler bemærkelsesværdige egenskaber med sorte huller, åbner spændende nye retninger for teoretisk fysik. "

Ud over Parcollet, forskergruppen bestod af Cornell -doktorand Peter Cha, CCQ -associeret datavidenskabsmand Nils Wentzell, CCQ -direktør Antoine Georges, og Cornell fysikprofessor Eun-Ah Kim.

I den kvantemekaniske verden, elektrisk modstand er et biprodukt af elektroner, der støder ind i ting. Når elektroner strømmer gennem et metal, de hopper af andre elektroner eller urenheder i metallet. Jo mere tid der er mellem disse sammenstød, jo lavere materialets elektriske modstand.

For typiske metaller, elektrisk modstand stiger med temperaturen, efter en kompleks ligning. Men i usædvanlige tilfælde såsom når en høj temperatur superleder opvarmes lige over det punkt, hvor den stopper superledende, ligningen bliver meget mere ligetil. I et mærkeligt metal, elektrisk ledningsevne er forbundet direkte med temperaturen og to grundlæggende konstanter i universet:Plancks konstant og Boltzmanns konstant. Følgelig, mærkelige metaller er også kendt som Planckian metaller.

Modeller af mærkelige metaller har eksisteret i årtier, men præcist at løse sådanne modeller viste sig uden for rækkevidde med eksisterende metoder. Kvanteforviklinger mellem elektroner betyder, at fysikere ikke kan behandle elektronerne individuelt, og det store antal partikler i et materiale gør beregningerne endnu mere skræmmende.

Cha og hans kolleger anvendte to forskellige metoder til at knække problemet. Først, de brugte en kvanteindlejringsmetode baseret på ideer udviklet af Georges i begyndelsen af ​​90'erne. Med denne metode, i stedet for at udføre detaljerede beregninger på tværs af hele kvantesystemet, fysikere udfører detaljerede beregninger på kun få atomer og behandler resten af ​​systemet mere enkelt. De brugte derefter en kvante Monte Carlo -algoritme (opkaldt efter middelhavskasinoet), som bruger stikprøveudtagning til at beregne svaret på et problem. Forskerne løste modellen af ​​mærkelige metaller ned til absolut nul (minus 273,15 grader Celsius), den utilgængelige nedre grænse for temperaturer i universet.

Den resulterende teoretiske model afslører eksistensen af ​​mærkelige metaller som en ny tilstand af stof, der grænser op til to tidligere kendte faser af stof:Mott -isolerende spinglas og Fermi -væsker. "Vi fandt ud af, at der er en hel region i faserummet, der udviser en Planckian -adfærd, der hører til ingen af ​​de to faser, vi overgår mellem, "Kim siger." Denne kvante -spin -væsketilstand er ikke så låst, men det er heller ikke helt gratis. Det er en træg, suppe, sløv tilstand. Det er metallisk, men modvilligt metallisk, og det skubber graden af ​​kaos til grænsen for kvantemekanikken. "

Det nye arbejde kunne hjælpe fysikere med bedre at forstå fysikken i superledere med højere temperatur. Måske overraskende, arbejdet har links til astrofysik. Som mærkelige metaller, sorte huller udviser egenskaber, der kun afhænger af temperaturen og Planck- og Boltzmann -konstanterne, såsom den tid, et sort hul 'ringer' efter fusion med et andet sort hul. "Det faktum, at du finder den samme skalering på tværs af alle disse forskellige systemer, fra planckiske metaller til sorte huller, er fascinerende, ”Siger Parcollet.