W nowym badaniu zbadano, jak metale krytyczne kwantowe, które zachowują się niezwykle w niskich temperaturach, podważają konwencjonalne teorie fizyki.
Badania pokazują, że metale te ulegają znaczącym zmianom w kwantowych punktach krytycznych, co potencjalnie wpływa na rozwój nadprzewodników wysokotemperaturowych.
Dziwne metale i fluktuacje kwantowe
Niedawne badania prowadzone przez fizyka z Rice University, Qimiao Si, rzucają światło na tajemnicze zachowanie metali krytycznych kwantowo – materiałów, które łamią zwykłe zasady fizyki w niskich temperaturach. Opublikowano 9 grudnia w Fizyka Przyrodyw ramach badań badane są kwantowe punkty krytyczne (QCP), w których materiały oscylują pomiędzy dwoma odrębnymi stanami, na przykład magnetycznymi lub niemagnetycznymi. Odkrycia te pomagają wyjaśnić wyjątkowe właściwości tych metali i oferują nowy wgląd w nadprzewodniki wysokotemperaturowe, które przewodzą prąd bez oporu w stosunkowo wysokich temperaturach.
Sercem badania jest krytyczność kwantowa, czyli stan, w którym materiały stają się niezwykle wrażliwe na fluktuacje kwantowe – drobne zakłócenia zmieniające zachowanie elektronów. Podczas gdy większość metali podlega dobrze ugruntowanym prawom fizycznym, metale kwantowo-krytyczne przeciwstawiają się tym oczekiwaniom, wykazując niezwykłe i zbiorowe zachowania, które od dziesięcioleci intrygują naukowców. Fizycy nazywają te układy „dziwnymi metalami”.
Rola kwazicząstek w metalach kwantowych
„Nasza praca skupia się na tym, jak kwazicząstki tracą swoją tożsamość w dziwnych metalach w tych kwantowych punktach krytycznych, co prowadzi do unikalnych właściwości, które przeczą tradycyjnym teoriom” – powiedział Si, profesor fizyki i astronomii Harry C. i Olga K. Wiess oraz dyrektor Instytutu Sojusz na rzecz ekstremalnych materiałów kwantowych Rice’a.
Kwazicząstki, reprezentujące zbiorowe zachowanie elektronów, zachowujących się jak pojedyncze cząstki, odgrywają kluczową rolę w przekazywaniu energii i informacji w materiałach. Jednak w QCP te kwazicząstki znikają w wyniku zjawiska znanego jako niszczenie Kondo. Tutaj momenty magnetyczne w materiale przestają zwyczajowo oddziaływać z elektronami, radykalnie zmieniając strukturę elektronową metalu.
Zmiana ta jest widoczna na powierzchni Fermiego, mapie możliwych stanów elektronów w materiale. Gdy system przekracza QCP, powierzchnia Fermiego gwałtownie się przesuwa, znacząco zmieniając właściwości materiału.
Badanie uniwersalnych zachowań
Badanie wykracza poza ciężkie metale fermionowe – materiały zawierające niezwykle ciężkie elektrony – i obejmuje tlenki miedzi i niektóre związki organiczne. Wszystkie te dziwne metale wykazują zachowania, które przeczą tradycyjnej teorii cieczy Fermiego, platformie stosowanej do opisu ruchu elektronów w większości metali. Zamiast tego ich właściwości są zgodne z podstawowymi stałymi, takimi jak stała Plancka, regulująca kwantową zależność między energią i częstotliwością.
Implikacje dla zaawansowanych nadprzewodników
Naukowcy zidentyfikowali stan zwany dynamicznym skalowaniem Plancka, w którym zależność właściwości elektronów od temperatury odzwierciedla uniwersalne zjawiska, takie jak kosmiczne mikrofalowe promieniowanie tła i promieniowanie „ciała doskonale czarnego”, które przypomina zachowanie gwiazd. Odkrycie to podkreśla wspólny wzorzec organizacyjny różnych materiałów krytycznych kwantowo, oferując wgląd w tworzenie zaawansowanych nadprzewodników.
Przejścia kwantowe w nowych materiałach
Implikacje badawcze rozciągają się na inne materiały kwantowe, w tym nadprzewodniki na bazie żelaza i te o skomplikowanych strukturach sieciowych. Jednym z przykładów jest CePdAl, związek, w którym wzajemne oddziaływanie dwóch konkurujących ze sobą sił — efektu Kondo i interakcji RKKY — determinuje jego zachowanie elektroniczne. Badając te przejścia, naukowcy mają nadzieję rozszyfrować podobne zjawiska w innych skorelowanych materiałach, w których dominują złożone relacje międzyelektronowe.
Obserwacja, jak te siły kształtują materiał w QCP, może pomóc naukowcom w lepszym zrozumieniu przejść w innych skorelowanych materiałach lub materiałach o złożonych związkach międzyelektronowych.
Odniesienie: „Kwantowe metale krytyczne i utrata kwazicząstek”, Haoyu Hu, Lei Chen i Qimiao Si, 9 grudnia 2024 r., Fizyka Przyrody.
DOI: 10.1038/s41567-024-02679-7
Badania, których współautorami są Haoyu Hu i Lei Chen z Wydziału Fizyki i Astronomii Rice’a, Extreme Quantum Materials Alliance i Smalley-Curl Institute, były wspierane przez National Science Foundation, Biuro Badań Naukowych Sił Powietrznych, Fundację Roberta A. Welcha , stypendium Vannevar Bush Faculty Fellowship i Europejska Rada ds. Badań Naukowych.
