Физики нашли доказательства экзотического переноса заряда в квантовом материале

Как и предполагалось, квантовый материал «странный металл» оказался на удивление тихим в недавних экспериментах с квантовым шумом в Университете Райса. Опубликованные в журнале Science результаты измерений квантовых флуктуаций заряда, известных как «дробовой шум», предоставляют первое прямое свидетельство того, что электричество, по-видимому, течет через странные металлы в необычной жидкоподобной форме, которую невозможно легко объяснить с точки зрения квантованных пакетов заряда, известных как квазичастицы.

 

«Шум значительно подавляется по сравнению с обычными проводами», — сказал Дуг Нательсон из Rice, соавтор исследования. «Возможно, это свидетельство того, что квазичастицы не являются четко определенными вещами или что их просто нет и заряд движется более сложным образом. Нам нужно найти правильный словарь, чтобы говорить о том, как заряд может двигаться коллективно».

 

Эксперименты проводились на наноразмерных нитях хорошо изученного квантово-критического материала с точным соотношением иттербия, родия и кремния (YbRh 2 Si 2) 1-2-2. Материал содержит высокую степень квантовой запутанности, которая приводит к температурно-зависимому поведению.

 

Например, при охлаждении ниже критической температуры материал мгновенно переходит из немагнитного состояния в магнитное. При температурах чуть выше критического порога YbRh 2 Si 2 представляет собой «тяжелый фермионный» металл с квазичастицами, несущими заряд, которые в сотни раз массивнее голых электронов.

 

В металлах каждая квазичастица или дискретная единица заряда является продуктом неисчислимых крошечных взаимодействий между бесчисленным количеством электронов. Впервые выдвинутая 67 лет назад, квазичастица — это концепция, которую физики используют для представления совокупного эффекта этих взаимодействий как единого квантового объекта для целей квантово-механических расчетов.

 

Некоторые предыдущие теоретические исследования предполагали, что странные металлические носители заряда могут не быть квазичастицами, а эксперименты с дробовым шумом позволили Нательсону, ведущему автору исследования Лиян Чену, бывшему студенту лаборатории Нательсона, и более дюжине соавторов из Райс и Технического университета из Вены (TU-Wien), чтобы собрать первые прямые эмпирические данные для проверки этой идеи.

 

«Измерение дробового шума — это, по сути, способ увидеть, насколько зернистым является заряд, когда он проходит через что-то», — сказал Нательсон, профессор физики и астрономии, электротехники и вычислительной техники, материаловедения и наноинженерии. «Идея состоит в том, что если я управляю током, то он состоит из группы дискретных носителей заряда. Они движутся со средней скоростью, но иногда они оказываются ближе друг к другу во времени, а иногда — дальше друг от друга».

 

Применение этой технологии в кристаллах, изготовленных из иттербия, родия и кремния в соотношении 1-2-2, представляло серьезные технические проблемы. Например, кристаллические пленки, выращенные в лаборатории ведущего соавтора TU-Wien Силке Пашен, должны были быть почти идеальными. И Чену пришлось найти способ поддерживать этот уровень совершенства, создавая из кристалла провода, которые были примерно в 5000 раз уже человеческого волоса.

 

«Низкий дробовой шум позволил по-новому взглянуть на то, как носители тока заряда переплетаются с другими агентами квантовой критичности, лежащей в основе странной металличности», — сказал Си, чья группа провела расчеты, которые исключили квазичастичную картину. «В этой теории квантовой критичности электроны подталкиваются к грани локализации, а квазичастицы теряются повсюду на поверхности Ферми».

 

Нательсон сказал, что более серьезный вопрос заключается в том, может ли подобное поведение возникнуть у любого или всех десятков других соединений, демонстрирующих странное металлическое поведение.

 

«Иногда кажется, что природа что-то вам говорит», — сказал Нательсон. «Эта «странная металличность» проявляется во многих различных физических системах, несмотря на то, что микроскопическая физика, лежащая в ее основе, очень различна. Например, в медно-оксидных сверхпроводниках микроскопическая физика очень, очень отличается от системы тяжелых фермионов. Все они, кажется, обладают линейным по температуре удельным сопротивлением, характерным для странных металлов, и приходится задаться вопросом, происходит ли что-то общее, независимое от того, какие микроскопические строительные блоки находятся внутри них».