Zelfs volgens de normen van kwantumfysici, vreemde metalen zijn gewoon vreemd. De materialen zijn verwant aan hoge temperatuur supergeleiders en hebben verrassende verbanden met de eigenschappen van zwarte gaten. Elektronen in vreemde metalen dissiperen energie zo snel als is toegestaan ​​volgens de wetten van de kwantummechanica, en de elektrische weerstand van een vreemd metaal, in tegenstelling tot die van gewone metalen, is evenredig met de temperatuur.

Het verkrijgen van een theoretisch begrip van vreemde metalen is een van de grootste uitdagingen in de fysica van de gecondenseerde materie. Nutsvoorzieningen, met behulp van geavanceerde computertechnieken, onderzoekers van het Flatiron Institute in New York City en Cornell University hebben het eerste robuuste theoretische model van vreemde metalen opgelost. Het werk onthult dat vreemde metalen een nieuwe staat van materie zijn, de onderzoekers rapporteren 22 juli in de Proceedings van de National Academy of Sciences .

"Het feit dat we ze vreemde metalen noemen, zou je moeten vertellen hoe goed we ze begrijpen, " zegt co-auteur Olivier Parcollet, een senior onderzoeker bij het Centre for Computational Quantum Physics (CCQ) van het Flatiron Institute. "Vreemde metalen delen opmerkelijke eigenschappen met zwarte gaten, het openen van spannende nieuwe richtingen voor theoretische natuurkunde."

Naast Parcollet, het onderzoeksteam bestond uit Cornell-promovendus Peter Cha, CCQ associate data scientist Nils Wentzell, CCQ-directeur Antoine Georges, en Cornell natuurkunde professor Eun-Ah Kim.

In de kwantummechanische wereld, elektrische weerstand is een bijproduct van elektronen die tegen dingen botsen. Als elektronen door een metaal stromen, ze weerkaatsen andere elektronen of onzuiverheden in het metaal. Hoe meer tijd er zit tussen deze botsingen, hoe lager de elektrische weerstand van het materiaal.

Voor typische metalen, elektrische weerstand neemt toe met de temperatuur, na een complexe vergelijking. Maar in ongebruikelijke gevallen zoals wanneer een hoge-temperatuur-supergeleider wordt verwarmd net boven het punt waar hij stopt met supergeleiden, de vergelijking wordt veel eenvoudiger. In een vreemd metaal, elektrische geleidbaarheid is direct gekoppeld aan de temperatuur en aan twee fundamentele constanten van het universum:de constante van Planck en de constante van Boltzmann. Bijgevolg, vreemde metalen zijn ook bekend als Planck-metalen.

Er bestaan ​​al tientallen jaren modellen van vreemde metalen, maar het nauwkeurig oplossen van dergelijke modellen bleek onbereikbaar met bestaande methoden. Kwantumverstrengeling tussen elektronen betekent dat natuurkundigen de elektronen niet afzonderlijk kunnen behandelen, en het enorme aantal deeltjes in een materiaal maakt de berekeningen nog ontmoedigender.

Cha en zijn collega's gebruikten twee verschillende methoden om het probleem op te lossen. Eerst, ze gebruikten een kwantuminbeddingsmethode op basis van ideeën die begin jaren '90 door Georges waren ontwikkeld. Met deze methode, in plaats van gedetailleerde berekeningen uit te voeren over het hele kwantumsysteem, natuurkundigen voeren gedetailleerde berekeningen uit op slechts enkele atomen en behandelen de rest van het systeem eenvoudiger. Vervolgens gebruikten ze een quantum Monte Carlo-algoritme (genoemd naar het mediterrane casino), die willekeurige steekproeven gebruikt om het antwoord op een probleem te berekenen. De onderzoekers losten het model van vreemde metalen op tot het absolute nulpunt (min 273,15 graden Celsius), de onbereikbare ondergrens voor temperaturen in het heelal.

Het resulterende theoretische model onthult het bestaan ​​van vreemde metalen als een nieuwe toestand van materie die grenst aan twee eerder bekende fasen van materie:Mott isolerende spinglazen en Fermi-vloeistoffen. "We ontdekten dat er een hele regio in de faseruimte is die een Planckiaans gedrag vertoont dat behoort tot geen van de twee fasen waartussen we overgaan, " zegt Kim. "Deze kwantumspinvloeistof is niet zo opgesloten, maar het is ook niet helemaal gratis. Het is een trage, soepel, modderige staat. Het is metaalachtig maar met tegenzin metaalachtig, en het duwt de mate van chaos naar de limiet van de kwantummechanica."

Het nieuwe werk kan natuurkundigen helpen de fysica van supergeleiders bij hogere temperaturen beter te begrijpen. Misschien verrassend, het werk heeft links naar astrofysica. Als vreemde metalen, zwarte gaten vertonen eigenschappen die alleen afhankelijk zijn van de temperatuur en de constanten van Planck en Boltzmann, zoals de tijd dat een zwart gat 'ringt' nadat het is samengesmolten met een ander zwart gat. "Het feit dat je dezelfde schaalvergroting vindt in al deze verschillende systemen, van Planckiaanse metalen tot zwarte gaten, is fascinerend, ' zegt Parcollet.