В недавних экспериментах ученые Университета Райса обнаружили, что квантовый материал под названием «странный металл» проявляет удивительную тишину в отношении квантовых шумов, сообщает Phys.org. Это первое прямое доказательство того, что в этих материалах электричество протекает в необычной жидкоподобной форме, которую невозможно объяснить с помощью квантованного потока заряда (квазичастиц).
Соавтор исследования Дуг Нательсон отметил, что шум значительно подавляется в странных металлах по сравнению с обычными проводами. Возникшее явление может указывать на то, что квазичастицы, представленные как отдельные определенные объекты, не существуют, или что их движение более сложно и не может быть точно описано. Ученым необходимо найти новое понятийное обозначение, чтобы описывать коллективное движение заряда в странных металлах.
Эксперименты были проведены на наноразмерных нитях материала, известного как YbRh2Si2 (иттербий-родий-кремний), который является хорошо изученным квантово-критическим материалом. В этом материале высокая степень квантовой запутанности, поэтому его свойства сильно зависят от температуры.
Например, при охлаждении ниже критической температуры материал мгновенно переходит из немагнитного состояния в магнитное. При температурах чуть выше критического порога YbRh2Si2 становится «тяжелым фермионным» металлом с квазичастицами, несущими заряд, которые в сотни раз массивнее голых электронов.
В металлах каждая квазичастица или дискретная единица заряда не является отдельным независимым объектом. Она образуется в результате сложных взаимодействий между множеством электронов в материале. Физики используют концепцию квазичастицы, чтобы представить все эти взаимодействия как единый квантовый объект. Это позволяет им проводить квантово-механические расчеты и изучать свойства металлов более удобным и понятным образом.
Некоторые ранее проведенные теоретические исследования предполагали, что металлические носители заряда в странных металлах не могут быть представлены как отдельные квантовые частицы. Эксперименты с измерением дробового шума позволили ученым получить первые непосредственные данные для проверки этой идеи. Измерение дробового шума — это способ определить, насколько зернистым является поток заряда, когда он проходит через материал.
Идея заключается в том, что ток состоит из группы отдельных носителей заряда, которые движутся с некоторой средней скоростью. Они могут быть ближе друг к другу во времени или дальше друг от друга в зависимости от ситуации. Измерение дробового шума позволяет увидеть эту групповую структуру и понять, насколько электрический ток является дискретным или плавным в странных металлах.
Низкий дробовой шум в экспериментах помог ученым лучше понять, как носители электрического тока взаимодействуют с другими элементами в странном металлическом состоянии. Квантовая критичность играет важную роль в этом процессе. Электроны сталкиваются с определенными границами, где они замедляются. Квазичастицы, которые представляют эти столкновения, рассеиваются по всей поверхности Ферми — это область энергии, где электроны имеют наиболее высокую вероятность обнаружения.
Это открытие поднимает вопрос: может ли такое поведение наблюдаться в других соединениях, которые также проявляют странное металлическое поведение.
«Иногда кажется, что природа что-то говорит нам. Эта „странная металличность“ проявляется во многих физических системах, несмотря на то, что микроскопическая физика, лежащая в ее основе, очень различна. Например, в медно-оксидных сверхпроводниках микроскопическая физика сильно отличается от системы тяжелых фермионов. Все они, кажется, обладают линейным по температуре удельным сопротивлением, характерным для странных металлов. Это поднимает вопрос, существует ли у них общее поведение, независимое от конкретных микроскопических составляющих материалов», — говорит Нательсон.
Ранее ученые из ETH Zurich открыли новый тип магнетизма. Эксперименты показывают, что искусственно созданный материал становится магнитным с помощью механизма, который раньше не наблюдался.