Twee onderzoekers van Harvard University, Aavishkar A. Patel en Subir Sachdev, hebben onlangs een nieuwe theorie van een Planckiaans metaal gepresenteerd die licht zou kunnen werpen op voorheen onbekende aspecten van de kwantumfysica. hun papier, gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , introduceert een roostermodel van fermionen dat een Planck-metaal bij lage temperaturen beschrijft ( t -> 0 ).

Metalen bevatten talrijke elektronen, die elektrische stroom voeren. Als natuurkundigen kijken naar de elektrische weerstand van metalen, ze zien het over het algemeen als ontstaan ​​​​wanneer de stroom van stroomvoerende elektronen wordt onderbroken of verslechterd doordat elektronen worden verstrooid door onzuiverheden of door het kristalrooster in het metaal.

"Dit plaatje, naar voren gebracht door Drude in 1900, geeft een vergelijking voor de elektrische weerstand in termen van hoeveel tijd elektronen besteden vrij bewegen tussen opeenvolgende botsingen, Patel vertelde Phys.org. "De lengte van dit tijdsinterval tussen botsingen, genaamd de 'ontspanningstijd, ' of 'elektronenliftetime, ' is meestal lang genoeg in de meeste gewone metalen om de elektronen als onderscheiden te definiëren, mobiele objecten naar een microscopische waarnemer, en de Drude foto werkt opmerkelijk goed."

Hoewel de door Drude voorgestelde theorie van toepassing is gebleken op verschillende metalen, er zijn andere metalen die ander gedrag vertonen, met name die welke worden geproduceerd wanneer supergeleiders bij hoge temperatuur worden verwarmd tot boven hun supergeleidende overgangstemperatuur of wanneer supergeleiding wordt onderdrukt door een magnetisch veld aan te leggen. In deze onconventionele metalen, de schijnbare ontspanningstijd is erg kort, specifiek in de orde van constante van Planck gedeeld door Boltzmann's constante tijden temperatuur (dwz ℏ / ( k _B t )).

Dit fenomeen staat bekend als Planckiaanse dissipatie, en deze metalen worden bijgevolg Planck-metalen genoemd. De korte elektronenlevensduur die in deze metalen wordt waargenomen, suggereert dat individuele elektronen niet langer kunnen worden gezien als goed gedefinieerde objecten, wat het wiskundig moeilijker maakt om ze wiskundig te beschrijven.

"Wat echt verrassend is, is dat in een verscheidenheid van dergelijke materialen met verschillende elektron-elektron-interactiesterkten (hoewel ze allemaal sterk interagerende elektronen hebben), de numerieke waarde van de levensduur van het elektron lijkt heel dicht bij precies ℏ/( k _B t ), Patel legde uit. "Dit betekent dat er een universele theorie is die al zulke 'vreemde metalen' beschrijft, ' die tot nu toe wetenschappers is blijven ontgaan."

Zich bewust van deze leemte in de literatuur, Patel en Sachdev wilden een wiskundig nauwkeurige kwantummechanische beschrijving van deze vreemde metalen ontwikkelen. De belangrijkste veronderstelling achter hun werk was dat interacties tussen elektronen geen momentum behouden, en dat dit typisch gebeurt in een systeem met microscopisch kleine onregelmatigheden, stoornis genoemd.

Eerdere studies hebben aangetoond dat alle materialen die dit 'vreemde metaalgedrag' vertonen, aanzienlijke hoeveelheden wanorde vertonen. In hun studie hebben Patel en Sachdev beschouwden afzonderlijk interacties tussen elektronen die energie besparen en interacties tussen elektronen die dat niet doen.

"De energie-niet-conserverende interacties 'renormaliseren' de elektronen (d.w.z. ze veranderen hun massa), overwegende dat de energiebesparende (of 'resonante') interacties, waarvan we de effecten precies berekenen, leiden tot een elektronenlevensduur van bijna exact ℏ/(kBT) wanneer we proberen de elektrische weerstand uit te drukken met behulp van de Drude-formule, "Zei Patel. "Bovendien, we vinden dat deze levensduur onafhankelijk is van de exacte sterkte van de elektron-elektron-interacties in overeenstemming met experimentele waarnemingen."

Naast het leveren van een wiskundig nauwkeurig en oplosbaar model voor Planckiaanse dissipatie, de theorie ontwikkeld door Patel en Sachdev schetst een unieke handtekening in de spectrale elektronenfunctie, dat is een wiskundige grootheid die het aantal kwantumtoestanden met één elektron meet dat beschikbaar is bij een bepaalde energie. interessant, deze karakteristieke signatuur kan worden gemeten in foto-emissie-experimenten.

"De snelheid van de elektronen die verantwoordelijk zijn voor het transporteren van stroom wordt sterk vertraagd tot een hoeveelheid die evenredig is met de temperatuur van het systeem, " legde Patel uit. "Dit zou experimenteel zichtbaar moeten zijn door de dispersie van de piek in de elektronenspectrale functie te observeren."

Een ander intrigerend aspect van de door de onderzoekers voorgestelde nieuwe theorie is dat de kwantummechanische golffuncties die erin worden gepresenteerd nauw verwant zijn aan die van het Sachdev-Ye-Kitaev-model, die verband houdt met de fysica van zwarte gaten. Als hun ideeën geldig zijn, ze zouden ook suggereren dat er diepe fysieke verbindingen zijn tussen zwarte gaten en vreemde metalen.

"De verbinding met het Sachdev-Ye-Kitaev-model benadrukt het belang van kwantumverstrengeling met veel deeltjes, "Zei Sachdev. "Soms 'spookachtige actie op afstand' genoemd, ' kwantumverstrengeling is misschien wel het meest nieuwe kenmerk van de kwantumtheorie:het vermogen om toestanden te creëren waarin observatie van één deeltje de toestand van alle andere deeltjes kan beïnvloeden, zelfs degenen die heel ver weg zijn. Ons werk laat zien dat de smaak van kwantumverstrengeling gecreëerd door het Sachdev-Ye-Kitaev-model nauw verbonden is met die in vreemde metalen, en in zwarte gaten."

In de toekomst, het door Patel en Sachdev voorgestelde model zou belangrijke implicaties kunnen hebben voor de natuurkunde. In feite, naast het verschaffen van een theorie die licht zou kunnen werpen op het gedrag van Planckiaanse metalen, hun paper wijst op een mogelijk verband tussen deze 'ongewone' metalen en zwarte gaten. De onderzoekers hopen dat hun studie uiteindelijk enkele van de fundamentele vragen zal beantwoorden die verband houden met kwantumtheorieën van zwarte gaten, inclusief de informatieparadox van Hawking.

"We zijn nu van plan om te onderzoeken hoe de specifieke precies oplosbare vorm van elektron-elektron-interacties die we in onze theorie gebruiken, kan voortkomen uit conventionele benaderingen voor het bestuderen van op elkaar inwerkende ongeordende elektronen, misschien door een aantal onconventionele veronderstellingen te maken die achteraf kunnen worden gerechtvaardigd, Patel zei. "Er zijn ook andere kwantummechanische materialen die elektrische isolatoren zijn (geen metalen), maar tonen analogen van het fenomeen van metallische Planck-dissipatie in hun thermische geleidbaarheid. Het zou interessant zijn om te zien of onze strategieën werkbare theorieën voor hen zouden kunnen ontwikkelen, te, op een vergelijkbare manier."

© 2019 Wetenschap X Netwerk