Istina, kvantni materijal „čudnog metala“ pokazao se neobično tihim u nedavnim eksperimentima sa kvantnom bukom na Univerzitetu Rajs. Objavljena ove nedelje u časopisu Science, merenja kvantnih fluktuacija naelektrisanja poznata kao „šum pucanja“ pružaju prvi direktan dokaz da se čini da električna energija teče kroz čudne metale u neobičnoj tečnoj formi koja se ne može lako objasniti u smislu kvantizovanih paketa naelektrisanja poznatih kao kvazičestice.
„Buka je u velikoj meri potisnuta u poređenju sa običnim žicama“, rekao je Rajsov Dag Natelson, autor studije. „Možda je ovo dokaz da kvazičestice nisu dobro definisane stvari ili da ih jednostavno nema i da se naelektrisanje kreće na složenije načine. Moramo pronaći pravi rečnik da bismo razgovarali o tome kako se naelektrisanje može kretati kolektivno.“
Eksperimenti su izvedeni na žicama nanorazmera od dobro proučenog kvantnog kritičnog materijala sa preciznim odnosom iterbijuma, rodijuma i silicijuma (IbRh 2 Si 2 ) od 1-2-2. Materijal sadrži visok stepen kvantne isprepletenosti koja proizvodi ponašanje zavisno od temperature.
Ako se ohladi ispod kritične temperature, na primer, materijal trenutno prelazi iz nemagnetnog u magnetni. Na temperaturama malo iznad kritičnog praga, IbRh 2 Si 2 je metal „teški fermion“, sa kvazičesticama koje nose naelektrisanje koje su stotine puta masivnije od golih elektrona.
U metalima, svaka kvazičestica, ili diskretna jedinica naelektrisanja je proizvod neprocenjivih sićušnih interakcija između bezbrojnih elektrona. Prvi put predstavljen pre 67 godina, kvazičestica je koncept koji fizičari koriste da predstavljaju kombinovani efekat tih interakcija kao jedan kvantni objekat za potrebe kvantnomehaničkih proračuna.
Neke prethodne teorijske studije sugerišu da čudni metalni nosači naboja možda nisu kvazičestice, a eksperimenti sa bukom pucnjave su dozvolili Natelsonu, vodećem autoru studije Lijangu Čenu, bivšem studentu Natelsonove laboratorije, i više desetina koautora sa Rajsa i Tehničkog univerziteta Beča (TU-Vien) da prikupi prve direktne empirijske dokaze za testiranje ideje.
„Merenje šuma pucanja je u osnovi način da se vidi koliko je naelektrisanje granularno dok prolazi kroz nešto“, rekao je Natelson, profesor fizike i astronomije, elektrotehnike i računarstva i nauke o materijalima i nanoinženjeringa.
„Ideja je da, ako ja pokrećem struju, ona se sastoji od gomile diskretnih nosača naboja. Oni stižu prosečnom brzinom, ali ponekad se dešava da su bliži zajedno u vremenu, a ponekad su udaljeniji.“
Primena tehnike u kristalima napravljenim od odnosa iterbijuma, rodijuma i silicijuma 1-2-2 predstavljala je značajne tehničke izazove. Na primer, kristalni filmovi, koji su uzgajani u laboratoriji glavnog TU-Vien koautora Silke Paschen, morali su biti skoro savršeni. I Čen je morao da pronađe način da održi taj nivo savršenstva dok je pravio žice od kristala koje su bile oko 5.000 puta uže od ljudske kose.
Rajsov koautor Kimiao Si, vodeći teoretičar studije i profesora fizike i astronomije Hari C. i Olge K. Vis, rekao je da su on, Natelson i Pašen prvo razgovarali o ideji za eksperimente dok je Pašen bio gostujući naučnik na Rajsu 2016. Si je rekao da su rezultati u skladu sa teorijom kvantne kritičnosti koju je objavio 2001. i da je nastavio da istražuje u skoro dve decenije saradnje sa Pašenom.
„Nizak šum doveo je do novih uvida u to kako se nosioci struje naelektrisanja prepliću sa drugim agensima kvantne kritičnosti koja leži u osnovi čudne metalnosti“, rekao je Si, čija je grupa izvršila proračune koji su isključili sliku kvazičestica. „U ovoj teoriji kvantne kritičnosti, elektroni su gurnuti do ivice lokalizacije, a kvazičestice se gube svuda na Fermijevoj površini.“
Natelson je rekao da je veće pitanje da li se slično ponašanje može pojaviti u bilo kom ili svim desetinama drugih jedinjenja koja pokazuju čudno ponašanje metala.
„Ponekad se osećate kao da vam priroda nešto govori“, rekao je Natelson. „Ova ‘čudna metalnost’ se pojavljuje u mnogim različitim fizičkim sistemima uprkos činjenici da je mikroskopska, osnovna fizika veoma različita. U superprovodnicima bakar-oksida, na primer, mikroskopska fizika je veoma, veoma različita nego u sistemu teških fermiona. mi gledamo. Čini se da svi imaju ovu linearnu temperaturnu otpornost koja je karakteristična za čudne metale, i morate se zapitati da li se dešava nešto generičko što je nezavisno od toga koji mikroskopski gradivni blokovi se nalaze unutar njih.“
