杰德·博伊德
大米新闻特辑
正如往常一样，在莱斯大学最近的量子噪声实验中，一种“奇怪的金属”量子材料被证明异常安静。本周发表在《科学》(Science)杂志上的一项名为“散粒噪声”的量子电荷波动测量，首次提供了直接证据，证明电似乎以一种不寻常的液体状形式流过奇怪的金属，这种液体状形式无法用被称为准粒子的量子化电荷包来解释。
该研究的通讯作者、莱斯大学的Doug Natelson说:“与普通电线相比，这种噪音被大大抑制了。”“也许这是准粒子不是定义明确的东西的证据，或者它们根本不存在，电荷以更复杂的方式移动。我们必须找到合适的词汇来谈论电荷如何集体运动。”
实验是在一种量子临界材料的纳米线上进行的，这种材料的镱、铑和硅(YbRh2Si2)的精确比例是1:2 -2，在过去的20年里，维也纳理工大学(TU Wien)的固态物理学家Silke Paschen对这种材料进行了深入的研究。这种材料含有高度的量子纠缠，会产生一种非常不寻常的(“奇怪的”)温度依赖行为，这与银或金等普通金属的行为非常不同。
在这种普通金属中，每一个准粒子或电荷的离散单位都是无数电子之间不可计算的微小相互作用的产物。准粒子最早是在67年前提出的，物理学家用这个概念来表示所有这些相互作用的综合效应，作为量子力学计算的一个单一量子物体。
先前的一些理论研究表明，一种奇怪金属中的电荷可能不是由这种准粒子携带的，而射噪声实验使纳泰尔森、该研究的主要作者、纳泰尔森实验室的前学生陈立阳以及赖斯大学和维也纳理工大学的其他合著者能够收集到第一个直接的经验证据来验证这一想法。
纳特尔森说:“射击噪声测量基本上是一种观察电荷穿过物体时颗粒大小的方法。”“这个想法是，如果我驱动一个电流，它由一堆离散的电荷载流子组成。它们以平均速度到达，但有时它们碰巧在时间上靠得更近，有时它们相隔更远。”
将该技术应用于YbRh2Si2晶体提出了重大的技术挑战。散粒噪声实验不能在单个宏观晶体上进行，而是需要纳米尺度的样品。因此，必须实现极薄但完美的晶体薄膜的生长，这是Silke Paschen, Maxwell Andrews和他们在维也纳工业大学的合作者经过近十年的艰苦工作才做到的。接下来，陈必须找到一种方法来保持这种完美水平，同时用这些比人类头发窄5000倍的薄膜来制作电线。
赖斯的合著者、该研究的首席理论家齐淼·斯(Qimiao Si)表示，他、纳泰尔森和帕申在2016年帕申在赖斯大学做访问学者时首次讨论了实验的想法。Si说，这些结果与他在2001年发表的量子临界理论是一致的，他在与Paschen近20年的合作中继续探索这个理论。
“低射噪声带来了全新的见解，让我们了解电荷-电流载流子是如何与其他量子临界介质纠缠在一起的，而量子临界是奇怪金属丰度的基础，”Si说，他的团队进行了排除准粒子图像的计算。“在这个量子临界理论中，电子被推到局域化的边缘，准粒子在费米表面上到处都消失了。”
纳特尔森说，更大的问题是，类似的行为是否会出现在其他几十种表现出奇怪金属行为的化合物中。
“有时候，你会觉得大自然在告诉你一些事情，”纳特森说。“这种‘奇怪的金属丰度’出现在许多不同的物理系统中，尽管微观的、潜在的物理是非常不同的。例如，在氧化铜超导体中，微观物理与我们正在研究的重费米子系统非常非常不同。它们似乎都具有这种线性温度电阻率，这是奇怪金属的特征，你不得不怀疑是否有一些通用的东西独立于它们内部的微观构建块。”
该研究得到了美国能源部基础能源科学项目(DE-FG02-06ER46337)、美国国家科学基金会(1704264、2220603)、欧洲研究理事会(101055088)、奥地利科学基金(FWF I4047、FWF SFB F 86)、奥地利研究促进机构(FFG 2156529、FFG 883941)、欧盟地平线2020项目(824109-EMP)、空军科学研究办公室(FA8665-22-1-7170)、美国国家科学基金(fa8665 - 221-7170)、美国国家科学基金(fa8665 - 221-7170)的支持。韦尔奇基金会(C-1411)和Vannevar Bush教师奖学金(ONR-VB N00014-23-1-2870)。
- 同行评议的论文:
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“奇怪金属中的弹射噪声”| Science | DOI: 10.1126/ Science .abq6100
作者:陈立阳，Dale T. Lowder, Emine Bakali, Aaron M. Andrews, Werner Schrenk, Monika Waas, Robert Svagera, Gaku Eguchi, Lukas Prochaska，王一鸣，Chandan Setty, Shouvik Sur, Qimiao Si, Silke Paschen和Douglas Natelson
https://doi.org/ 10.1126 / science.abq6100
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描述:物理学家Liyang Chen(左)和Doug Natelson。(图片由D. Natelson/Rice University提供)
描述:莱斯大学物理学家Doug Natelson。(图片来源:Jeff Fitlow/Rice University)
描述:维也纳理工大学的物理学家Silke Paschen(左)和莱斯大学的Qimiao Si。(图片来源:Tommy LaVergne/Rice University)
描述:维也纳工业大学的研究生Emine Bakali(左)和她的导师Silke Paschen在维也纳工业大学用于生长YbRh2Si2薄膜的洁净室的分子束外延室前。(摄影:Maxwell Andrews/TU Wien)
描述:长YbRh2Si2线的扫描电子显微镜图像。(图片来源:Liyang Chen/Natelson研究小组/Rice University)
