Zoals het hoort, bleek een "vreemd metaal" kwantummateriaal vreemd stil te zijn in recente kwantumruisexperimenten aan de Rice University. Deze week gepubliceerd in Wetenschap bieden de metingen van kwantumladingsfluctuaties, bekend als "shot noise", het eerste directe bewijs dat elektriciteit door vreemde metalen lijkt te stromen in een ongebruikelijke vloeibare vorm die niet gemakkelijk kan worden verklaard in termen van gekwantiseerde ladingspakketten die bekend staan ​​als quasideeltjes.

"De ruis wordt aanzienlijk onderdrukt vergeleken met gewone draden", zegt Doug Natelson van Rice, de corresponderende auteur van het onderzoek. "Misschien is dit een bewijs dat quasideeltjes geen goed gedefinieerde dingen zijn of dat ze er gewoon niet zijn en dat ladingsbewegingen op ingewikkelder manieren plaatsvinden. We moeten de juiste woordenschat vinden om te praten over hoe lading collectief kan bewegen."

De experimenten werden uitgevoerd op draden op nanoschaal van een goed bestudeerd kwantumkritisch materiaal met een precieze 1-2-2 verhouding van ytterbium, rhodium en silicium (YbRh₂ Si₂ ). Het materiaal bevat een hoge mate van kwantumverstrengeling die temperatuurafhankelijk gedrag veroorzaakt.

Als het bijvoorbeeld wordt afgekoeld tot onder een kritische temperatuur, gaat het materiaal onmiddellijk over van niet-magnetisch naar magnetisch. Bij temperaturen iets boven de kritische drempel, YbRh₂ Si₂ is een 'zwaar fermion'-metaal, met ladingdragende quasideeltjes die honderden keren massiever zijn dan kale elektronen.

Bij metalen is elk quasideeltje, of afzonderlijke ladingseenheid, het product van onberekenbare kleine interacties tussen talloze elektronen. Het quasideeltje werd 67 jaar geleden voor het eerst naar voren gebracht en is een concept dat natuurkundigen gebruiken om het gecombineerde effect van die interacties weer te geven als een enkel kwantumobject voor kwantummechanische berekeningen.

Sommige eerdere theoretische studies hebben gesuggereerd dat vreemde metalen ladingsdragers misschien geen quasideeltjes zijn, en experimenten met schotruis lieten Natelson, hoofdauteur van het onderzoek Liyang Chen, een voormalig student in het laboratorium van Natelson, en meer dan een dozijn co-auteurs van Rice en de Technische Universiteit toe van Wenen (TU-Wien) om het eerste directe empirische bewijs te verzamelen om het idee te testen.

"De meting van het schotgeluid is in feite een manier om te zien hoe korrelig de lading is terwijl deze ergens doorheen gaat", zegt Natelson, hoogleraar natuurkunde en astronomie, elektrische en computertechniek, materiaalkunde en nano-engineering.

"Het idee is dat als ik een stroom aanstuur, deze bestaat uit een aantal afzonderlijke ladingsdragers. Die komen met een gemiddelde snelheid aan, maar soms liggen ze dichter bij elkaar in de tijd, en soms staan ​​ze verder uit elkaar."

Het toepassen van de techniek in kristallen gemaakt uit de 1-2-2-verhouding van ytterbium, rhodium en silicium bracht aanzienlijke technische uitdagingen met zich mee. De kristallijne films, die werden gekweekt in het laboratorium van hoofdauteur van de TU-Wien, Silke Paschen, moesten bijvoorbeeld bijna perfect zijn. En Chen moest een manier vinden om dat niveau van perfectie te behouden terwijl hij draden uit het kristal maakte die ongeveer 5000 keer smaller waren dan een mensenhaar.

Rice co-auteur Qimiao Si, de hoofdtheoreticus van het onderzoek en de Harry C. en Olga K. Wiess hoogleraar natuurkunde en astronomie, zeiden dat hij, Natelson en Paschen het idee voor de experimenten voor het eerst bespraken terwijl Paschen gastonderzoeker was bij Rice. in 2016. Si zei dat de resultaten consistent zijn met een theorie van kwantumkriticiteit die hij in 2001 publiceerde en die hij in een bijna twintig jaar durende samenwerking met Paschen is blijven onderzoeken.

"De lage opnameruis bracht nieuwe inzichten met zich mee in hoe de laadstroomdragers zich vermengen met de andere agenten van de kwantumkriticiteit die ten grondslag ligt aan de vreemde metalliciteit", zegt Si, wiens groep berekeningen uitvoerde die het beeld van quasideeltjes uitsloten. "In deze theorie van kwantumkriticiteit worden de elektronen naar de rand van lokalisatie geduwd en gaan de quasideeltjes overal op het Fermi-oppervlak verloren."

Natelson zei dat de grotere vraag is of soortgelijk gedrag zou kunnen voorkomen in een of meer van de tientallen andere verbindingen die vreemd metaalgedrag vertonen.

"Soms heb je het gevoel dat de natuur je iets vertelt," zei Natelson. "Deze 'vreemde metalliciteit' komt in veel verschillende fysieke systemen naar voren, ondanks het feit dat de microscopische, onderliggende fysica heel anders is. In koperoxide-supergeleiders bijvoorbeeld is de microscopische fysica heel, heel anders dan in het zware-fermionsysteem waar we naar kijken. Ze lijken allemaal een lineaire temperatuurweerstand te hebben die kenmerkend is voor vreemde metalen, en je moet je afvragen of er iets algemeens aan de hand is dat onafhankelijk is van de microscopische bouwstenen die erin zitten.' /P>

Meer informatie: Liyang Chen et al., Schotgeluid in een vreemd metaal, Wetenschap (2023). DOI:10.1126/science.abq6100. www.science.org/doi/10.1126/science.abq6100

Journaalinformatie: Wetenschap

Aangeboden door Rice University