Fysikere finder beviser for eksotisk ladningstransport i kvantemateriale

Form sandt viste et "mærkeligt metal" kvantemateriale sig underligt stille i nylige kvantestøjeksperimenter på Rice University. Udgivet i denne uge i Science , giver målingerne af kvanteladningssvingninger kendt som "skudstøj" det første direkte bevis på, at elektricitet ser ud til at strømme gennem mærkelige metaller i en usædvanlig væskelignende form, der ikke uden videre kan forklares i form af kvantiserede ladningspakker kendt som kvasipartikler.

"Støjen er stærkt undertrykt sammenlignet med almindelige ledninger," sagde Rice's Doug Natelson, undersøgelsens tilsvarende forfatter. "Måske er dette bevis på, at kvasipartikler ikke er veldefinerede ting, eller at de bare ikke er der, og ladningen bevæger sig på mere komplicerede måder. Vi er nødt til at finde det rigtige ordforråd for at tale om, hvordan ladning kan bevæge sig kollektivt."

Forsøgene blev udført på nanoskala ledninger af et velundersøgt kvantekritisk materiale med et præcist 1-2-2 forhold mellem ytterbium, rhodium og silicium (YbRh₂ Si₂ ). Materialet indeholder en høj grad af kvantesammenfiltring, der giver temperaturafhængig adfærd.

Hvis det for eksempel afkøles under en kritisk temperatur, går materialet øjeblikkeligt over fra ikke-magnetisk til magnetisk. Ved temperaturer lidt over den kritiske tærskel, YbRh₂ Si₂ er et "tungt fermion" metal med ladningsbærende kvasipartikler, der er hundredvis af gange mere massive end bare elektroner.

I metaller er hver kvasipartikel eller diskret ladningsenhed et produkt af uoverskuelige små interaktioner mellem utallige elektroner. Første gang fremsat for 67 år siden, er kvasipartikelen et koncept, fysikere bruger til at repræsentere den kombinerede effekt af disse interaktioner som et enkelt kvanteobjekt med henblik på kvantemekaniske beregninger.

Nogle tidligere teoretiske undersøgelser har antydet, at mærkelige metalladningsbærere måske ikke er kvasipartikler, og skudstøjseksperimenter tillod Natelson, studielederforfatter Liyang Chen, en tidligere studerende i Natelsons laboratorium og mere end et dusin medforfattere fra Rice og det tekniske universitet fra Wien (TU-Wien) for at indsamle det første direkte empiriske bevis for at teste ideen.

"Støjstøjmålingen er dybest set en måde at se, hvor granulær ladningen er, når den går gennem noget," sagde Natelson, professor i fysik og astronomi, elektro- og computerteknik og materialevidenskab og nanoteknik.

"Ideen er, at hvis jeg kører en strøm, består den af ​​en flok diskrete ladningsbærere. De ankommer med en gennemsnitlig hastighed, men nogle gange er de tilfældigvis tættere sammen i tid, og nogle gange er de længere fra hinanden."

Anvendelse af teknikken i krystaller fremstillet af forholdet 1-2-2 af ytterbium, rhodium og silicium gav betydelige tekniske udfordringer. For eksempel skulle de krystallinske film, som blev dyrket i laboratoriet hos den ledende TU-Wien-medforfatter Silke Paschen, være næsten perfekte. Og Chen var nødt til at finde en måde at opretholde dette perfektionsniveau, mens han formede ledninger fra krystallen, der var omkring 5.000 gange smallere end et menneskehår.

Rice medforfatter Qimiao Si, den ledende teoretiker i undersøgelsen og Harry C. og Olga K. Wiess professor i fysik og astronomi, sagde, at han, Natelson og Paschen først diskuterede ideen til eksperimenterne, mens Paschen var gæsteforsker ved Rice i 2016. Si sagde, at resultaterne er i overensstemmelse med en teori om kvantekriticitet, som han udgav i 2001 og har fortsat med at udforske i et næsten to årtiers samarbejde med Paschen.

"Den lave støj medførte frisk ny indsigt i, hvordan ladningsstrømbærerne flettes sammen med de andre midler af kvantekritiskiteten, der ligger til grund for den mærkelige metallicitet," sagde Si, hvis gruppe udførte beregninger, der udelukkede kvasipartikelbilledet. "I denne teori om kvantekriticitet bliver elektronerne skubbet til grænsen til lokalisering, og kvasipartiklerne går tabt overalt på Fermi-overfladen."

Natelson sagde, at det større spørgsmål er, om lignende adfærd kan opstå i nogen eller alle de snesevis af andre forbindelser, der udviser mærkelig metaladfærd.

"Nogle gange føler du lidt, at naturen fortæller dig noget," sagde Natelson. "Denne 'mærkelige metallicitet' viser sig i mange forskellige fysiske systemer på trods af, at den mikroskopiske, underliggende fysik er meget anderledes. I for eksempel kobberoxid-superledere er den mikroskopiske fysik meget, meget anderledes end i det tunge fermion-system. vi kigger på. De ser alle ud til at have denne lineære-i-temperatur-resistivitet, der er karakteristisk for mærkelige metaller, og du må undre dig over, om der foregår noget generisk, som er uafhængigt af, hvad de mikroskopiske byggesten er inde i dem. /P>

Flere oplysninger: Liyang Chen et al., Skudstøj i et mærkeligt metal, Science (2023). DOI:10.1126/science.abq6100. www.science.org/doi/10.1126/science.abq6100

Journaloplysninger: Videnskab

Leveret af Rice University