Zgodnie z formą, w niedawnych eksperymentach z szumem kwantowym na Uniwersytecie Rice, materiał kwantowy z „dziwnym metalem” okazał się dziwnie cichy. Opublikowane w tym tygodniu w czasopiśmie Science pomiary fluktuacji ładunku kwantowego, zwane „szumem wystrzału”, dostarczają pierwszego bezpośredniego dowodu na to, że prąd wydaje się przepływać przez dziwne metale w niezwykłej, płynnej postaci, której nie można łatwo wyjaśnić w kategoriach skwantowanych pakietów ładunku, znanych jako kwazicząstki.
„Szum jest znacznie stłumiony w porównaniu ze zwykłymi przewodami” – powiedział Douglas Natelson z Rice, współautor badania. „Być może jest to dowód na to, że kwazicząstki nie są dobrze zdefiniowanymi rzeczami lub że po prostu ich nie ma i ładunki poruszają się w bardziej skomplikowany sposób. Musimy znaleźć odpowiednie słownictwo, aby porozmawiać o tym, jak ładunek może przemieszczać się zbiorowo”.
Doświadczenia przeprowadzono na drutach w skali nano, wykonanych z materiału krytycznego kwantowo o precyzyjnym stosunku iterbu, rodu i krzemu (YbRh2Si2 wynoszącym 1-2-2), który był szczegółowo badany w ciągu ostatnich dwudziestu lat przez Silke Paschen, specjalistę ds. fizyk państwowy na Politechnice Wiedeńskiej (TU Wien). Materiał zawiera wysoki stopień splątania kwantowego, które powoduje bardzo nietypowe („dziwne”) zachowanie zależne od temperatury, które bardzo różni się od zachowania normalnych metali, takich jak srebro czy złoto.
W takich normalnych metalach każda kwazicząstka, czyli dyskretna jednostka ładunku, jest produktem nieobliczalnych maleńkich interakcji pomiędzy niezliczonymi elektronami. Kwazicząstka, zaproponowana po raz pierwszy 67 lat temu, jest koncepcją stosowaną przez fizyków do przedstawienia połączonego efektu tych interakcji w postaci pojedynczego obiektu kwantowego na potrzeby obliczeń mechaniki kwantowej.
Niektóre wcześniejsze badania teoretyczne sugerowały, że ładunek w dziwnym metalu może nie być przenoszony przez takie kwazicząstki, a eksperymenty z hałasem wystrzału pozwoliły Natelsonowi, głównemu autorowi badania Liyang Chenowi, byłemu studentowi w laboratorium Natelsona oraz innym współautorom Rice i TU Wien zebrać pierwsze bezpośrednie dowody empiryczne w celu przetestowania pomysłu.
„Pomiar hałasu wystrzału to w zasadzie sposób sprawdzenia, jak ziarnisty jest ładunek przechodzący przez coś” – powiedział Natelson. „Pomysł jest taki, że jeśli kieruję prądem, składa się on z grupy dyskretnych nośników ładunku. Docierają one do nas ze średnią szybkością, ale czasami zdarza się, że w czasie zbliżają się do siebie, a czasami są bardziej od siebie oddalone”.
Zastosowanie tej techniki w kryształach YbRh2Si2 stwarzało poważne wyzwania techniczne. Eksperymentów z hałasem strzałowym nie można przeprowadzić na pojedynczych makroskopowych kryształach, lecz raczej wymagają próbek o wymiarach nanoskopowych. W związku z tym należało uzyskać niezwykle cienkie, ale mimo to doskonale krystaliczne warstwy, co udało się Paschenowi, Maxwellowi Andrewsowi i ich współpracownikom z TU Wien po prawie dziesięciu latach ciężkiej pracy. Następnie Chen musiał znaleźć sposób na utrzymanie tego poziomu doskonałości podczas tworzenia drutów z cienkich folii, które były około 5000 razy węższe od ludzkiego włosa.
Współautor Rice, Qimiao Si, główny teoretyk badania oraz profesorowie fizyki i astronomii Harry’ego C. i Olgi K. Wiess, powiedział, że on, Natelson i Paschen po raz pierwszy omawiali pomysł eksperymentów, gdy Paschen był wizytującym pracownikiem naukowym w Rice w 2016 r. Si powiedział, że wyniki są zgodne z teorią krytyczności kwantowej, którą opublikował w 2001 r., którą kontynuował w ramach prawie dwudziestoletniej współpracy z Paschenem.
„Niski szum strzału przyniósł nowe spojrzenie na to, jak nośniki prądu ładowania splatają się z innymi czynnikami krytyczności kwantowej, która leży u podstaw dziwnej metaliczności” – powiedział Si, którego grupa przeprowadziła obliczenia wykluczające obraz kwazicząstek. „W tej teorii krytyczności kwantowej elektrony są wypychane na skraj lokalizacji, a kwazicząstki gubią się wszędzie na powierzchni Fermiego”.
Natelson powiedział, że ważniejsze pytanie brzmi, czy podobne zachowanie może wystąpić w którymkolwiek lub we wszystkich z kilkudziesięciu innych związków wykazujących dziwne zachowanie metalu.
„Czasami masz wrażenie, że natura ci coś mówi” – powiedział Natelson. „Ta «dziwna metaliczność» pojawia się w wielu różnych układach fizycznych, pomimo faktu, że podstawowa fizyka mikroskopowa jest bardzo odmienna. Na przykład w nadprzewodnikach z tlenku miedzi fizyka mikroskopowa jest bardzo, bardzo odmienna niż w przypadku ciężkiego fermionu system, któremu się przyglądamy. Wydaje się, że wszystkie mają liniową oporność w temperaturze, charakterystyczną dla dziwnych metali i trzeba się zastanawiać, czy dzieje się tam coś ogólnego, niezależnego od mikroskopijnych elementów znajdujących się w ich wnętrzu.
Badania były wspierane przez program Departamentu Energii dotyczący podstawowych nauk o energii (DE-FG02-06ER46337), Narodową Fundację Nauki (1704264, 2220603), Europejską Radę ds. Badań Naukowych (101055088), Austriacki Fundusz Naukowy (FWF I4047, FWF SFB F 86), Austriackiej Agencji Promocji Badań (FFG 2156529, FFG 883941), unijnego programu Horyzont 2020 (824109-EMP), Biura Badań Naukowych Sił Powietrznych (FA8665-22-1-7170), Fundacji Welch (C -1411) i stypendium wydziału Vannevara Busha (ONR-VB-N00014-23-1-2870).