|
Доказательства экзотического переноса заряда
|
|
|
|
Как и предполагалось, квантовый материал «странный металл» оказался на удивление тихим в недавних экспериментах с квантовым шумом в Университете Райса. Опубликованные на этой неделе в журнале Science результаты измерений квантовых флуктуаций заряда, известных как «дробовой шум», предоставляют первое прямое свидетельство того, что электричество, по-видимому, течет через странные металлы в необычной жидкоподобной форме, которую невозможно легко объяснить с точки зрения квантованных пакетов заряда, известных как квазичастицы. «Шум значительно подавляется по сравнению с обычными проводами», — сказал Дуг Нательсон из Rice, соавтор исследования. «Возможно, это свидетельство того, что квазичастицы не являются четко определенными вещами или что их просто нет и заряд движется более сложным образом. Нам нужно найти правильный словарь, чтобы говорить о том, как заряд может двигаться коллективно».
|
|
|
|
Эксперименты проводились на нанопроволоках из хорошо изученного квантово-критического материала с точным соотношением иттербия, родия и кремния (YbRh2Si2) 1-2-2. Материал содержит высокую степень квантовой запутанности, которая приводит к температурно-зависимому поведению. Например, при охлаждении ниже критической температуры материал мгновенно переходит из немагнитного состояния в магнитное. При температурах чуть выше критического порога YbRh2Si2 представляет собой «тяжелый фермионный» металл с квазичастицами, несущими заряд, которые в сотни раз массивнее голых электронов.В металлах каждая квазичастица или дискретная единица заряда является продуктом неисчислимых крошечных взаимодействий между бесчисленным количеством электронов. Впервые выдвинутая 67 лет назад, квазичастица — это концепция, которую физики используют для представления совокупного эффекта этих взаимодействий как единого квантового объекта для целей квантово-механических расчетов.
|
|
|
Некоторые предыдущие теоретические исследования предполагали, что странные металлические носители заряда могут не быть квазичастицами, а эксперименты с дробовым шумом позволили Нательсону, ведущему автору исследования Лиян Чену, бывшему студенту лаборатории Нательсона, и более дюжине соавторов из Райс и Технического университета из Вены (TU-Wien), чтобы собрать первые прямые эмпирические данные для проверки этой идеи. «Измерение дробового шума — это, по сути, способ увидеть, насколько зернистым является заряд, когда он проходит через что-то», — сказал Нательсон, профессор физики и астрономии, электротехники и вычислительной техники, материаловедения и наноинженерии. «Идея состоит в том, что если я управляю током, то он состоит из группы дискретных носителей заряда. Они движутся со средней скоростью, но иногда они оказываются ближе друг к другу во времени, а иногда — дальше друг от друга». Применение этой технологии в кристаллах, изготовленных из иттербия, родия и кремния в соотношении 1-2-2, представляло серьезные технические проблемы. Например, кристаллические пленки, выращенные в лаборатории ведущего соавтора TU-Wien Силке Пашен, должны были быть почти идеальными.
|
|
|
|
И Чену пришлось найти способ поддерживать этот уровень совершенства, создавая из кристалла провода, которые были примерно в 5000 раз уже человеческого волоса. Соавтор Райса Цимяо Си, ведущий теоретик исследования и профессор физики и астрономии Гарри К. и Ольги К. Висс, сказал, что он, Нательсон и Пашен впервые обсудили идею экспериментов, когда Пашен был приглашенным ученым в Райс. в 2016 году. Си сказал, что результаты согласуются с теорией квантовой критичности, которую он опубликовал в 2001 году и которую продолжает исследовать в почти двадцатилетнем сотрудничестве с Пашеном. «Низкий дробовой шум позволил по-новому взглянуть на то, как носители тока заряда переплетаются с другими агентами квантовой критичности, лежащей в основе странной металличности», — сказал Си, чья группа провела расчеты, которые исключили квазичастичную картину. «В этой теории квантовой критичности электроны подталкиваются к грани локализации, а квазичастицы теряются повсюду на поверхности Ферми».
|
|
|
|
Нательсон сказал, что более серьезный вопрос заключается в том, может ли подобное поведение возникнуть у любого или всех десятков других соединений, демонстрирующих странное металлическое поведение. «Иногда кажется, что природа что-то вам говорит», — сказал Нательсон. «Эта «странная металличность» проявляется во многих различных физических системах, несмотря на то, что микроскопическая физика, лежащая в ее основе, очень различна. Например, в медно-оксидных сверхпроводниках микроскопическая физика очень, очень отличается от системы тяжелых фермионов. Все они, похоже, обладают линейным по температуре удельным сопротивлением, характерным для странных металлов, и приходится задаться вопросом, происходит ли что-то общее, независимое от того, какие микроскопические строительные блоки находятся внутри них».
|
|
|
|
Источник
|
