Physiker finden Hinweise auf exotischen Ladungstransport in Quantenmaterial

Ein „seltsames Metall“-Quantenmaterial erwies sich in jüngsten Quantenrauschexperimenten an der Rice University als merkwürdig leise. Diese Woche veröffentlicht In WissenschaftDie Messungen von Quantenladungsfluktuationen, bekannt als „Schrotrauschen“, liefern den ersten direkten Beweis dafür, dass Elektrizität in einer ungewöhnlichen flüssigkeitsähnlichen Form durch seltsame Metalle zu fließen scheint, die nicht ohne weiteres mit quantisierten Ladungspaketen, sogenannten Quasiteilchen, erklärt werden kann.

„Das Rauschen wird im Vergleich zu gewöhnlichen Kabeln stark unterdrückt“, sagte Doug Natelson von Rice, der korrespondierende Autor der Studie. „Vielleicht ist dies ein Beweis dafür, dass Quasiteilchen keine wohldefinierten Dinge sind oder dass sie einfach nicht da sind und Ladung sich auf kompliziertere Weise bewegt. Wir müssen das richtige Vokabular finden, um darüber zu sprechen, wie sich Ladung kollektiv bewegen kann.“

Die Experimente wurden an nanoskaligen Drähten aus einem gut untersuchten quantenkritischen Material mit einem präzisen 1-2-2-Verhältnis von Ytterbium, Rhodium und Silizium (YbRh2Si2) durchgeführt. Das Material enthält einen hohen Grad an Quantenverschränkung, der ein temperaturabhängiges Verhalten erzeugt.

Wenn das Material beispielsweise unter eine kritische Temperatur abgekühlt wird, geht es augenblicklich von nichtmagnetisch in magnetisch über. Bei Temperaturen knapp oberhalb der kritischen Schwelle ist YbRh2Si2 ein „schweres Fermion“-Metall mit ladungstragenden Quasiteilchen, die hunderte Male massereicher sind als bloße Elektronen.

In Metallen ist jedes Quasiteilchen oder jede einzelne Ladungseinheit das Produkt unberechenbarer winziger Wechselwirkungen zwischen unzähligen Elektronen. Das erstmals vor 67 Jahren vorgeschlagene Konzept des Quasiteilchens wird von Physikern verwendet, um die kombinierte Wirkung dieser Wechselwirkungen als einzelnes Quantenobjekt für die Zwecke quantenmechanischer Berechnungen darzustellen.

Einige frühere theoretische Studien deuten darauf hin, dass seltsame Metallladungsträger möglicherweise keine Quasiteilchen sind, und Schrotrauschexperimente ermöglichten Natelson, dem Hauptautor der Studie, Liyang Chen, einem ehemaligen Studenten in Natelsons Labor, und mehr als einem Dutzend Co-Autoren von Rice und der Technischen Universität der Universität Wien (TU-Wien), um die ersten direkten empirischen Beweise zur Überprüfung der Idee zu sammeln.

„Die Messung des Schrotrauschens ist im Grunde eine Methode, um zu sehen, wie körnig die Ladung ist, wenn sie etwas durchdringt“, sagte Natelson, Professor für Physik und Astronomie, Elektro- und Computertechnik sowie Materialwissenschaften und Nanotechnik.

„Die Idee ist, dass, wenn ich einen Strom antreibe, dieser aus einer Reihe diskreter Ladungsträger besteht. Diese kommen mit einer durchschnittlichen Geschwindigkeit an, aber manchmal liegen sie zeitlich näher beieinander und manchmal sind sie weiter voneinander entfernt.“

Die Anwendung der Technik auf Kristalle aus dem Verhältnis 1-2-2 von Ytterbium, Rhodium und Silizium stellte erhebliche technische Herausforderungen dar. Beispielsweise mussten die kristallinen Filme, die im Labor der leitenden TU-Wien-Co-Autorin Silke Paschen gezüchtet wurden, nahezu perfekt sein. Und Chen musste einen Weg finden, dieses Maß an Perfektion beizubehalten und gleichzeitig Drähte aus dem Kristall herzustellen, die etwa 5.000 Mal schmaler als ein menschliches Haar waren.

Rice-Co-Autor Qimiao Si, der leitende Theoretiker der Studie und Professor für Physik und Astronomie bei Harry C. und Olga K. Wiess, sagte, er, Natelson und Paschen hätten die Idee für die Experimente zum ersten Mal diskutiert, als Paschen Gastwissenschaftler bei Rice war im Jahr 2016. Si sagte, die Ergebnisse stünden im Einklang mit einer Theorie der Quantenkritikalität, die er 2001 veröffentlichte und die er in einer fast zwei Jahrzehnte dauernden Zusammenarbeit mit Paschen weiter erforschte.

„Das geringe Schrotrauschen brachte neue Erkenntnisse darüber, wie sich die Ladungsstromträger mit den anderen Kräften der Quantenkritikalität verflechten, die der seltsamen Metallizität zugrunde liegt“, sagte Si, dessen Gruppe Berechnungen durchführte, die das Quasiteilchenbild ausschlossen. „In dieser Theorie der Quantenkritikalität werden die Elektronen an den Rand der Lokalisierung gebracht und die Quasiteilchen gehen überall auf der Fermi-Oberfläche verloren.“

Natelson sagte, die größere Frage sei, ob ein ähnliches Verhalten bei einer oder allen der Dutzenden anderer Verbindungen auftreten könnte, die ein seltsames Metallverhalten zeigen.

„Manchmal hat man das Gefühl, dass die Natur einem etwas sagt“, sagte Natelson. „Diese ‚seltsame Metallizität‘ tritt in vielen verschiedenen physikalischen Systemen auf, obwohl die mikroskopische, zugrunde liegende Physik sehr unterschiedlich ist. In Kupferoxid-Supraleitern beispielsweise ist die mikroskopische Physik sehr, sehr anders als im Schwer-Fermionen-System.“ Wir betrachten sie. Sie scheinen alle diesen linearen Temperaturwiderstand zu haben, der für seltsame Metalle charakteristisch ist, und man muss sich fragen, ob da etwas Generisches vor sich geht, das unabhängig davon ist, was auch immer die mikroskopischen Bausteine ​​in ihnen sind.“