Das Verhalten sogenannter „seltsamer Metalle“ hat Wissenschaftler lange verwirrt – aber eine Gruppe von Forschern an der Universität von Toronto könnte dem Verständnis dieser Materialien einen Schritt näher gekommen sein.
Elektronen sind diskrete, subatomare Teilchen, die durch Drähte fließen wie Wassermoleküle, die durch ein Rohr fließen. Der Fluss ist als Elektrizität bekannt und wird genutzt, um alles von Glühbirnen bis zum Large Hadron Collider mit Strom zu versorgen und zu steuern.
In der Quantenmaterie hingegen verhalten sich Elektronen nicht wie in normalen Materialien. Sie sind viel stärker und die vier grundlegenden Eigenschaften von Elektronen – Ladung, Spin, Umlaufbahn und Gitter – werden miteinander verflochten, was zu komplexen Materiezuständen führt.
„In der Quantenmaterie verlieren Elektronen ihren teilchenähnlichen Charakter und zeigen ein seltsames kollektives Verhalten“, sagt der Physiker für kondensierte Materie, Arun Paramekanti, Professor an der Fakultät für Kunst und Wissenschaft der U of T. „Diese Materialien sind als Nicht-Fermi-Flüssigkeiten bekannt, bei denen die einfachen Regeln zusammenbrechen.“
Jetzt haben drei Forscher der Fakultät für Physik und des Center for Quantum Information & Quantum Control (CQIQC) der Universität ein theoretisches Modell entwickelt, das die Wechselwirkungen zwischen subatomaren Teilchen in Nicht-Fermi-Flüssigkeiten beschreibt. Das Framework erweitert bestehende Modelle und wird Forschern helfen, das Verhalten dieser „seltsamen Metalle“ zu verstehen.
Ihre Forschung wurde in der Zeitschrift veröffentlicht Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS). Der Hauptautor ist Physik Ph.D. Student Andrew Hardy, mit Co-Autoren Paramekanti und Postdoktorand Arijit Haldar.
„Wir wissen, dass der Fluss einer komplexen Flüssigkeit wie Blut durch Arterien viel schwerer zu verstehen ist als Wasser durch Rohre“, sagt Paramekanti. „In ähnlicher Weise ist der Elektronenfluss in Nicht-Fermi-Flüssigkeiten viel schwieriger zu untersuchen als in einfachen Metallen.“
Hardy fügt hinzu: „Was wir getan haben, ist ein Modell, ein Werkzeug, um das Verhalten von Nicht-Fermi-Flüssigkeiten zu untersuchen. Und insbesondere, um zu behandeln, was passiert, wenn es zu einem Symmetriebruch kommt, wenn es einen Phasenübergang in eine neue Art von gibt System.“
„Symmetriebrechung“ ist der Begriff, der verwendet wird, um einen grundlegenden Prozess zu beschreiben, der in der gesamten Natur vorkommt. Symmetrie bricht, wenn ein System – sei es ein Wassertropfen oder das gesamte Universum – seine Symmetrie und Homogenität verliert und komplexer wird.
Zum Beispiel ist ein Wassertropfen unabhängig von seiner Ausrichtung symmetrisch – drehen Sie es in eine beliebige Richtung und es sieht gleich aus. Aber seine Symmetrie wird gebrochen, wenn es einen Phasenübergang durchmacht und zu einem Eiskristall gefriert. Als Schneeflocke ist sie immer noch symmetrisch, aber nur in sechs verschiedene Richtungen.
Dasselbe geschah mit allen subatomaren Teilchen und Kräften nach dem Urknall. Mit der explosiven Geburt des Kosmos waren alle Teilchen und alle Kräfte gleich, aber die Symmetriebrechung verwandelte sie sofort in die vielfältigen Teilchen und Kräfte, die wir heute im Kosmos sehen.
„Die Symmetriebrechung in Nicht-Fermi-Flüssigkeiten ist viel komplizierter zu untersuchen, da es kein umfassendes Rahmenwerk für die Arbeit mit Nicht-Fermi-Flüssigkeiten gibt“, sagt Hardy. „Es ist schwer zu beschreiben, wie dieser Symmetriebruch auftritt.“
In einer Nicht-Fermi-Flüssigkeit werden die Wechselwirkungen zwischen Elektronen viel stärker, wenn die Teilchen kurz vor dem Symmetriebruch stehen. Wie bei einem Ball, der auf der Spitze eines Hügels steht, wird ein sehr sanfter Schubs in die eine oder andere Richtung ihn in entgegengesetzte Richtungen schicken.
Die neue Forschung bietet Einblicke in diese Übergänge in Nicht-Fermi-Flüssigkeiten und könnte zu neuen Wegen führen, die Eigenschaften von Quantenmaterialien abzustimmen und zu steuern. Die Arbeit ist zwar immer noch eine ernsthafte Herausforderung für Physiker, aber wichtig für die neuen Quantenmaterialien, die die nächste Generation der Quantentechnologie prägen könnten.
Zu diesen Technologien gehören Hochtemperatur-Supraleiter, die bei Temperaturen, die viel näher an der Raumtemperatur liegen, einen Nullwiderstand erreichen, was sie viel praktischer und nützlicher macht. Es gibt auch Graphen-Geräte – Technologien, die auf einatomig dicken Schichten von Kohlenstoffatomen basieren, die unzählige elektronische Anwendungen haben.
„Quantenmaterialien weisen sowohl einen ungewöhnlichen Elektronenfluss als auch komplexe Arten von Symmetriebrüchen auf, die kontrolliert und abgestimmt werden können“, sagt Hardy. „Für uns ist es spannend, theoretische Vorhersagen für solche Systeme treffen zu können, die in neuen Experimenten im Labor getestet werden können.“
Mehr Informationen:
Andrew Hardy et al, Nematic phases and elastoresistivity from a multiorbital non-Fermi liquid, Proceedings of the National Academy of Sciences (2023). DOI: 10.1073/pnas.2207903120