Fedele alla forma, uno “strano metallo” materiale quantistico si è rivelato stranamente silenzioso nei recenti esperimenti di rumore quantistico presso la Rice University. Pubblicato questa settimana in Scienza , le misurazioni delle fluttuazioni quantistiche di carica note come "rumore di sparo" forniscono la prima prova diretta che l'elettricità sembra fluire attraverso strani metalli in un'insolita forma liquida che non può essere facilmente spiegata in termini di pacchetti di carica quantizzati noti come quasiparticelle.
"Il rumore è notevolmente soppresso rispetto ai cavi normali", ha affermato Doug Natelson della Rice, autore corrispondente dello studio. "Forse questa è la prova che le quasiparticelle non sono cose ben definite o che semplicemente non esistono e la carica si muove in modi più complicati. Dobbiamo trovare il vocabolario giusto per parlare di come la carica può muoversi collettivamente."
Gli esperimenti sono stati eseguiti su fili su scala nanometrica di un materiale critico quantistico ben studiato con un preciso rapporto 1-2-2 di itterbio, rodio e silicio (YbRh2 Si2 ). Il materiale contiene un alto grado di entanglement quantistico che produce un comportamento dipendente dalla temperatura.
Se raffreddato al di sotto di una temperatura critica, ad esempio, il materiale passa istantaneamente da non magnetico a magnetico. A temperature leggermente superiori alla soglia critica, YbRh2 Si2 è un metallo "fermione pesante", con quasiparticelle che trasportano carica che sono centinaia di volte più massicce degli elettroni nudi.
Nei metalli, ogni quasiparticella, o unità discreta, di carica è il prodotto di incalcolabili minuscole interazioni tra innumerevoli elettroni. Presentata per la prima volta 67 anni fa, la quasiparticella è un concetto utilizzato dai fisici per rappresentare l'effetto combinato di tali interazioni come un singolo oggetto quantistico ai fini dei calcoli della meccanica quantistica.
Alcuni studi teorici precedenti avevano suggerito che strani portatori di carica metallica potrebbero non essere quasiparticelle, e gli esperimenti sul rumore di sparo hanno consentito a Natelson, all'autore principale dello studio Liyang Chen, un ex studente del laboratorio di Natelson, e a più di una dozzina di coautori della Rice e della Technical University di Vienna (TU-Wien) per raccogliere la prima prova empirica diretta per testare l'idea.
"La misurazione del rumore dello sparo è fondamentalmente un modo per vedere quanto è granulare la carica mentre attraversa qualcosa", ha affermato Natelson, professore di fisica e astronomia, ingegneria elettrica e informatica, scienza dei materiali e nanoingegneria.
"L'idea è che se sto guidando una corrente, questa consiste in un gruppo di portatori di carica discreti. Questi arrivano a una velocità media, ma a volte capita che siano più vicini tra loro nel tempo, e talvolta sono più distanti."
L'applicazione della tecnica a cristalli costituiti dal rapporto 1-2-2 di itterbio, rodio e silicio ha presentato sfide tecniche significative. Ad esempio, le pellicole cristalline, che sono state coltivate nel laboratorio di Silke Paschen, coautrice principale della TU-Wien, dovevano essere quasi perfette. E Chen ha dovuto trovare un modo per mantenere quel livello di perfezione mentre modellava fili dal cristallo che erano circa 5.000 volte più stretti di un capello umano.
Il coautore della Rice, Qimiao Si, il teorico principale dello studio e professore di fisica e astronomia Harry C. e Olga K. Wiess, ha detto che lui, Natelson e Paschen hanno discusso per la prima volta l'idea degli esperimenti mentre Paschen era uno studioso in visita alla Rice. nel 2016. Si ha affermato che i risultati sono coerenti con una teoria della criticità quantistica da lui pubblicata nel 2001 e che ha continuato a esplorare in una collaborazione quasi ventennale con Paschen.
"Il rumore a basso impatto ha portato nuove intuizioni su come i portatori di carica-corrente si intrecciano con gli altri agenti della criticità quantistica che è alla base della strana metallicità", ha detto Si, il cui gruppo ha eseguito calcoli che hanno escluso l'immagine delle quasiparticelle. "In questa teoria della criticità quantistica, gli elettroni vengono spinti al limite della localizzazione e le quasiparticelle si perdono ovunque sulla superficie di Fermi."
Natelson ha affermato che la domanda più importante è se un comportamento simile possa verificarsi in qualcuno o in tutte le dozzine di altri composti che mostrano uno strano comportamento metallico.
"A volte hai la sensazione che la natura ti stia dicendo qualcosa", ha detto Natelson. "Questa 'strana metallicita' si manifesta in molti sistemi fisici diversi nonostante il fatto che la fisica microscopica sottostante sia molto diversa. Nei superconduttori di ossido di rame, ad esempio, la fisica microscopica è molto, molto diversa da quella del sistema di fermioni pesanti". stiamo osservando. Sembrano tutti avere questa resistività lineare in temperatura che è caratteristica dei metalli strani, e viene da chiedersi se c'è qualcosa di generico che sia indipendente da qualunque siano i microscopici elementi costitutivi al loro interno."
Ulteriori informazioni: Liyang Chen et al, Rumore di sparo in uno strano metallo, Scienza (2023). DOI:10.1126/science.abq6100. www.science.org/doi/10.1126/science.abq6100
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