Die Quantenverstrickung zeigt das einzigartige Elektronenverhalten von Strange Metals an kritischem Punkt

Wissenschaftler haben lange versucht, die Geheimnisse seltsamer Metalle zu enträtseln – Materials, die den konventionellen Regeln für Elektrizität und Magnetismus trotzen. Jetzt hat ein Team von Physikern an der Rice University einen Durchbruch in diesem Bereich erzielt, indem er ein Tool aus Quanteninformationswissenschaft verwendet. Ihre Studie, die kürzlich veröffentlicht wurde in Naturkommunikationenthüllt, dass Elektronen in seltsamen Metallen an einem entscheidenden Wendepunkt mehr verwickelt sind und neues Licht auf das Verhalten dieser rätselhaften Materialien abgeben. Die Entdeckung könnte den Weg für Fortschritte bei Supraleitern ebnen, um den Energieverbrauch in Zukunft zu verändern.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Metallen wie Kupfer oder Gold, die gut verstandene elektrische Eigenschaften haben, verhalten sich seltsame Metalle auf viel komplexere Weise und lassen ihre inneren Arbeiten über den Bereich der Lehrbuchbeschreibung hinaus. Unter der Leitung von Qimiao SI, dem Professor für Physik und Astronomie von Olga K. Wiess, dem Forschungsteam, wandte sich das Forschungsteam an Quantenfischerinformationen (QFI), ein Konzept aus der Quantenmetrologie, mit der sich unter extremen Bedingungen entwickeln, um Antworten zu finden. Ihre Untersuchungen zeigen, dass die Elektronenverdünnung, ein grundlegendes Quantenphänomen, an einem quantenkritischen Punkt einen Spitzenwert: der Übergang zwischen zwei Materiezuständen.

„Unsere Ergebnisse zeigen, dass seltsame Metalle ein einzigartiges Verstrickungsmuster aufweisen, das eine neue Linse bietet, um ihr exotisches Verhalten zu verstehen“, sagte Si. „Durch die Nutzung der Quanteninformationstheorie entdecken wir tiefe Quantenkorrelationen, die zuvor unzugänglich waren.“

Eine neue Art, seltsame Metalle zu studieren

In den meisten Metallen bewegen sich die Elektronen nach gut etablierten Physikgesetzen ordentlich. Seltsame Metalle brechen jedoch diese Regeln und zeigen einen ungewöhnlichen Widerstand gegen Elektrizität und Verhalten auf ungewöhnliche Weise bei sehr niedrigen Temperaturen. Um dieses Rätsel zu untersuchen, konzentrierten sich die Forscher auf ein theoretisches Modell namens Kondo -Gitter, das beschreibt, wie magnetische Momente mit den umgebenden Elektronen interagieren.

An einem kritischen Übergangspunkt werden diese Wechselwirkungen so intensiv, dass die grundlegenden Bausteine ​​des elektrischen Verhaltens, die als Quasitikel bezeichnet werden, verschwinden. Unter Verwendung von QFI verfolgten die Forscher den Ursprung dieses Quasipartikelverlusts darüber, wie Elektronenspins verstrichen werden, und stellte fest, dass Verstrickung an diesem quantenkritischen Punkt genau seinen Höhepunkt erreicht.

Dieser neuartige Ansatz wendet QFI, das hauptsächlich in Quanteninformationen und Präzisionsmessungen verwendet wird, auf die Untersuchung von Metallen an.

„Durch die Integration von Quanteninformationswissenschaft in die Physik der Kondensatmaterie drehen wir uns in eine neue Richtung in der Materialforschung“, sagte Si.

Möglicher Weg zu effizienterer Energie

Die theoretischen Berechnungen der Forscher haben unerwartet experimentelle Daten der realen Welt entspricht, wobei spezifisch mit den Ergebnissen der unelastischen Neutronenstreuung ausgerichtet wurde, einer Technik, mit der Materialien auf atomarer Ebene untersucht wurden. Diese Verbindung verstärkt die Idee, dass die Quantenverstrickung eine grundlegende Rolle beim Verhalten seltsamer Metalle spielt.

Das Verständnis seltsamer Metalle ist mehr als nur eine akademische Herausforderung. Es könnte erhebliche technologische Vorteile haben. Diese Materialien haben einen engen Zusammenhang mit Hochtemperatur-Supraleitern, die das Potenzial haben, Strom ohne Energieverlust zu übertragen. Das Entsperren ihrer Eigenschaften könnte die Stromnetze revolutionieren und die Energieübertragung effizienter machen.

Die Studie zeigt auch, wie Quanteninformationsinstrumente auf andere exotische Materialien angewendet werden können. Seltsame Metalle könnten bei zukünftigen Quantentechnologien eine Rolle spielen, bei denen eine verbesserte Verstrickung eine wertvolle Ressource ist. Die Forschung bietet einen neuen Rahmen für die Charakterisierung dieser komplexen Materialien, indem sie zeigen, wann die Verschränkung ihren Spitzenweiter enthält.

Das Forschungsteam umfasste Rices Yuan Fang, Yiming Wang, Mounica Mahankali und Lei Chen sowie Haoyu Hu vom Donostia International Physics Center und Silke Paschen von der Technik der Wiener Universität.