Naukowcy od dawna starali się rozwijać tajemnice dziwnych metali – materiałów, które przeciwstawiają się konwencjonalnym zasadom energii elektrycznej i magnetyzmu. Teraz zespół fizyków na Uniwersytecie Rice dokonał przełomu w tym obszarze, korzystając z narzędzia z Quantum Information Science. Ich badanie, opublikowane niedawno w Nature Communications, ujawnia, że elektrony w dziwnych metalach stają się coraz bardziej uwikłane w kluczowym punkcie zwrotnym, rzucając nowe światło na zachowanie tych enigmatycznych materiałów. Odkrycie może utorować drogę do postępów w nadprzewodnikach z potencjałem do przekształcenia zużycia energii w przyszłości.
W przeciwieństwie do konwencjonalnych metali, takich jak miedź lub złoto, które mają dobrze rozumiane właściwości elektryczne, dziwne metale zachowują się na bardziej złożone sposoby, dzięki czemu ich wewnętrzne działanie wykraczają poza sferę opisu podręcznika. Profesor fizyki i astronomii, kierowany przez Qimiao SI, Harry C. i Olga K. Wiess, zwrócił się do kwantowej informacji Fisher (QFI), koncepcji z metrologii kwantowej używanej do pomiaru ewolucji interakcji elektronowych w ekstremalnych warunkach, aby znaleźć odpowiedzi. Ich badania pokazują, że splątanie elektronów, fundamentalne zjawisko kwantowe, osiąga szczyt w punkcie krytycznym kwantowym: przejście między dwoma stanami materii.
„Nasze odkrycia pokazują, że dziwne metale wykazują unikalny wzór splątania, który oferuje nowy obiektyw do zrozumienia ich egzotycznego zachowania” – powiedział Si. „Wykorzystując teorię informacji kwantowej, odkrywamy głębokie korelacje kwantowe, które wcześniej były niedostępne”.
Nowy sposób studiowania dziwnych metali
W większości metali elektrony poruszają się w uporządkowany sposób, zgodnie z dobrze ustalonymi prawami fizyki. Dziwne metale łamie te zasady, wykazujące niezwykłą odporność na energię elektryczną i zachowując się w nietypowy sposób w bardzo niskich temperaturach. Aby zbadać tę układankę, naukowcy skupili się na modelu teoretycznym zwanym kratą Kondo, która opisuje, w jaki sposób momenty magnetyczne oddziałują z otaczającymi elektronami.
W krytycznym punkcie przejściowym interakcje te stają się tak intensywne, że znikają podstawowe elementy konstrukcyjne zachowań elektrycznych, znane jako quasiparticles. Korzystając z QFI, naukowcy śledzili pochodzenie tej straty quasiparticle z sposobem splątania się spinów elektronów, stwierdzając, że splątanie osiąga swój szczyt dokładnie w tym punkcie krytycznym kwantowym.
To nowatorskie podejście stosuje QFI, wykorzystywane przede wszystkim do informacji kwantowych i precyzyjnych pomiarów, do badania metali.
„Integrując informację kwantową z fizyką skondensowaną, obracamy się w nowym kierunku badań materiałowych” – powiedział Si.
Możliwa ścieżka do bardziej wydajnej energii
Obliczenia teoretyczne naukowców nieoczekiwanie dopasowały rzeczywiste dane eksperymentalne, szczególnie wyrównane z wynikami nieelastycznego rozpraszania neutronów, techniki stosowanej do sondowania materiałów na poziomie atomowym. To połączenie wzmacnia ideę, że splątanie kwantowe odgrywa podstawową rolę w zachowaniu dziwnych metali.
Zrozumienie dziwnych metali to coś więcej niż wyzwanie akademickie; Może to przynieść znaczące korzyści technologiczne. Materiały te mają ścisłe połączenie z nadprzewodnikami o wysokiej temperaturze, które mogą potencjalnie przenosić energię elektryczną bez utraty energii. Odblokowanie ich nieruchomości może zrewolucjonizować sieci energetyczne, zwiększając wydajność transmisji energii.
Badanie pokazuje również, w jaki sposób można zastosować narzędzia informacyjne kwantowe do innych materiałów egzotycznych. Dziwne metale mogą odgrywać rolę w przyszłych technologiach kwantowych, gdzie ulepszone uwikłanie jest cennym zasobem. Badanie stanowi nowe ramy do scharakteryzowania tych złożonych materiałów poprzez pokazanie szczytów splątania.
Zespół badawczy to Rice Yuan Fang, Yiming Wang, Mounicka Mahankali i Lei Chen wraz z Haoyu Hu z Donostia International Physics Center i Silke Paschen z Vienna University of Technology. Ich prace były wspierane przez National Science Foundation, Air Force Office of Scientific Research, Robert A. Welch Foundation i program stypendium wydziałowego Vannevar Bush.