فیزیکدانان شواهدی از انتقال بار عجیب و غریب در مواد کوانتومی پیدا کردند

در آزمایش‌های نویز کوانتومی اخیر در دانشگاه رایس، ماده کوانتومی «فلز عجیب» درست به نظر می‌رسد. این هفته ارسال شد که در علوم پایهاندازه گیری نوسانات بار کوانتومی معروف به “صدای شات” اولین شواهد مستقیمی را ارائه می دهد که به نظر می رسد الکتریسیته از میان فلزات عجیب و غریب به شکل غیرمعمول مایع مانند جریان می یابد که نمی توان به راحتی آن را با بسته های بار کوانتیزه شده به نام شبه ذرات توضیح داد.

داگ ناتلسون از رایس، نویسنده مسئول این مطالعه گفت: «صدا در مقایسه با کابل های معمولی به طور قابل توجهی کاهش می یابد. “شاید این شواهدی باشد که شبه ذرات چیزهای کاملاً تعریف شده ای نیستند، یا اینکه وجود ندارند و بار به روش های پیچیده تری حرکت می کند. ما باید واژگان مناسبی برای صحبت در مورد اینکه چگونه بار می تواند به طور جمعی حرکت کند پیدا کنیم.”

آزمایش‌ها بر روی سیم‌های نانومقیاس از یک ماده حیاتی کوانتومی با نسبت دقیق 1-2-2 ایتربیوم، رودیوم و سیلیکون (YbRh) انجام شد.₂سی₂). این ماده دارای درجه بالایی از درهم تنیدگی کوانتومی است که منجر به رفتار وابسته به دما می شود.

اگر در زیر a سرد شود دمای بحرانیبه عنوان مثال، ماده فوراً از غیر مغناطیسی به مغناطیسی تغییر می کند. در دماهای درست بالاتر از آستانه بحرانی، YbRh₂سی₂ یک فلز فرمیونی سنگین با شبه ذرات حامل بار است که صدها برابر جرم‌تر از الکترون‌های خالص است.

در فلزات، هر شبه ذره یا واحد بار مجزا حاصل برهمکنش‌های کوچک غیرقابل محاسبه بین الکترون‌های بی‌شماری است. برای اولین بار 67 سال پیش، شبه ذره مفهومی است که فیزیکدانان از آن برای نشان دادن اثر ترکیبی این برهمکنش ها به عنوان یک جسم کوانتومی واحد برای اهداف محاسبات مکانیکی کوانتومی استفاده می کنند.

برخی از تحقیقات نظری قبلی نشان می‌دهد که حامل‌های بار فلزی عجیب ممکن است شبه ذرات نباشند، و آزمایش‌های نویز شات به ناتلسون، نویسنده اصلی مطالعه، لیانگ چن، دانشجوی سابق آزمایشگاه ناتلسون، و بیش از ده‌ها نویسنده مشترک از Rice and Tech اجازه داد. از وین (TU-Wien) برای جمع آوری اولین شواهد تجربی مستقیم برای آزمایش این ایده.

ناتلسون، استاد فیزیک و نجوم، مهندسی برق و کامپیوتر، و علم مواد و مهندسی نانو، می‌گوید: «اندازه‌گیری نویز شات اساساً راهی است برای دیدن میزان دانه‌بندی بار هنگام عبور از چیزی.

ایده این است که اگر من جریانی را هدایت می‌کنم، از یک دسته حامل‌های شارژ مجزا تشکیل شده است. آنها با سرعت متوسطی می‌رسند، اما گاهی اوقات به موقع به هم نزدیک‌تر می‌شوند و گاهی اوقات از هم دورتر می‌شوند. ”

بکارگیری این تکنیک برای کریستال های ساخته شده از نسبت 1-2-2 ایتربیوم، رودیوم و سیلیکون چالش های فنی قابل توجهی را به همراه دارد. برای مثال، فیلم‌های کریستالی که در آزمایشگاه سیلک پاشن، نویسنده اصلی TU-Wien رشد کرده‌اند، باید تقریباً کامل می‌بودند. و چن باید راهی برای حفظ این سطح از کمال پیدا می کرد در حالی که سیم هایی از کریستال می ساخت که حدود 5000 برابر باریکتر از موی انسان بود.

کیمیائو سی، یکی از نویسندگان رایس، نظریه پرداز اصلی این مطالعه و استاد فیزیک و ستاره شناسی هری سی و اولگا کی ویس، گفت که او، نتلسون و پاشن برای اولین بار ایده آزمایش ها را در زمانی که پاسچن دانشمند مهمان در رایس در سال 2016 بود، مورد بحث قرار دادند. سی گفت که نتایج با تئوری بحرانی کوانتومی که در سال 2001 منتشر کرد و در نزدیک به دو دهه همکاری با Paschen به کاوش ادامه داد، مطابقت دارد.

شی، که گروهش محاسباتی را انجام دادند، گفت: «صدای کم شات منجر به بینش‌های تازه‌ای درباره نحوه درهم تنیدگی حامل‌های جریان بار با سایر عوامل بحرانی کوانتومی که زمینه‌ساز فلزی عجیب هستند، شده است.» شبه ذره عکس در این نظریه بحرانی کوانتومی، الکترون ها به لبه محلی سازی رانده می شوند و شبه ذرات در همه جای سطح فرمی گم می شوند.

ناتلسون گفت سوال بزرگتر این است که آیا رفتار مشابهی می تواند در هر یک یا همه ده ها ترکیب دیگر که رفتار فلز عجیبی از خود نشان می دهند رخ دهد یا خیر.

ناتلسون گفت: “گاهی اوقات احساس می کنید که طبیعت چیزی به شما می گوید.” علیرغم این واقعیت که فیزیک زیربنایی میکروسکوپی بسیار متفاوت است، این “فلزیت عجیب” در بسیاری از سیستم های فیزیکی مختلف ظاهر می شود. برای مثال، در ابررساناهای اکسید مس، فیزیک میکروسکوپی بسیار بسیار متفاوت از سیستم فرمیون سنگین است. به نظر می رسد که همه آنها دارای مقاومت خطی دمایی هستند که مشخصه آن است فلزات عجیبو شما باید تعجب کنید که آیا چیزی مشترک وجود دارد که مستقل از بلوک های سازنده میکروسکوپی درون آنها باشد.”