Fiel a su forma, un material cuántico de "metal extraño" demostró ser extrañamente silencioso en recientes experimentos de ruido cuántico en la Universidad Rice. Publicado esta semana en Ciencia , las mediciones de las fluctuaciones de carga cuántica conocidas como "ruido de disparo" proporcionan la primera evidencia directa de que la electricidad parece fluir a través de metales extraños en una forma líquida inusual que no puede explicarse fácilmente en términos de paquetes de carga cuantificados conocidos como cuasipartículas.
"El ruido se suprime en gran medida en comparación con los cables ordinarios", dijo Doug Natelson de Rice, autor correspondiente del estudio. "Tal vez esto sea evidencia de que las cuasipartículas no son cosas bien definidas o que simplemente no están ahí y la carga se mueve de maneras más complicadas. Tenemos que encontrar el vocabulario adecuado para hablar sobre cómo la carga puede moverse colectivamente".
Los experimentos se realizaron en cables a nanoescala de un material cuántico crítico bien estudiado con una proporción precisa de 1-2-2 de iterbio, rodio y silicio (YbRh2 Si2 ). El material contiene un alto grado de entrelazamiento cuántico que produce un comportamiento dependiente de la temperatura.
Si se enfría por debajo de una temperatura crítica, por ejemplo, el material pasa instantáneamente de no magnético a magnético. A temperaturas ligeramente superiores al umbral crítico, YbRh2 Si2 es un metal "fermión pesado", con cuasipartículas portadoras de carga que son cientos de veces más masivas que los electrones desnudos.
En los metales, cada cuasipartícula, o unidad discreta, de carga es el producto de diminutas interacciones incalculables entre innumerables electrones. Presentado por primera vez hace 67 años, la cuasipartícula es un concepto que los físicos utilizan para representar el efecto combinado de esas interacciones como un único objeto cuántico para los propósitos de los cálculos de la mecánica cuántica.
Algunos estudios teóricos anteriores han sugerido que los extraños portadores de carga metálica podrían no ser cuasipartículas, y los experimentos con ruido de disparo permitieron a Natelson, al autor principal del estudio, Liyang Chen, un ex alumno del laboratorio de Natelson, y a más de una docena de coautores de Rice y la Universidad Técnica. de Viena (TU-Wien) para reunir la primera evidencia empírica directa para probar la idea.
"La medición del ruido de disparo es básicamente una forma de ver cuán granular es la carga cuando atraviesa algo", dijo Natelson, profesor de física y astronomía, ingeniería eléctrica e informática y ciencia de materiales y nanoingeniería.
"La idea es que si estoy impulsando una corriente, ésta se compone de un grupo de portadores de carga discretos. Estos llegan a una velocidad promedio, pero a veces están más cerca en el tiempo y otras veces están más separados".
La aplicación de la técnica en cristales fabricados con una proporción 1-2-2 de iterbio, rodio y silicio presentó importantes desafíos técnicos. Por ejemplo, las películas cristalinas, que se cultivaron en el laboratorio de Silke Paschen, coautora principal de TU-Wien, tenían que ser casi perfectas. Y Chen tuvo que encontrar una manera de mantener ese nivel de perfección mientras creaba cables a partir del cristal que eran aproximadamente 5.000 veces más estrechos que un cabello humano.
El coautor de Rice, Qimiao Si, teórico principal del estudio y profesor de Física y Astronomía Harry C. y Olga K. Wiess, dijo que él, Natelson y Paschen discutieron por primera vez la idea de los experimentos mientras Paschen era un académico visitante en Rice. en 2016. Si dijo que los resultados son consistentes con una teoría de criticidad cuántica que publicó en 2001 y que ha continuado explorando en una colaboración de casi dos décadas con Paschen.
"El ruido de disparo bajo trajo nuevos conocimientos sobre cómo los portadores de corriente de carga se entrelazan con los otros agentes de la criticidad cuántica que subyace a la extraña metalicidad", dijo Si, cuyo grupo realizó cálculos que descartaron la imagen de cuasipartículas. "En esta teoría de la criticidad cuántica, los electrones son empujados al borde de la localización y las cuasipartículas se pierden por toda la superficie de Fermi."
Natelson dijo que la pregunta más importante es si podría surgir un comportamiento similar en cualquiera o en todas las docenas de otros compuestos que exhiben un comportamiento metálico extraño.
"A veces sientes que la naturaleza te está diciendo algo", dijo Natelson. "Esta 'extraña metalicidad' aparece en muchos sistemas físicos diferentes a pesar de que la física microscópica subyacente es muy diferente. En los superconductores de óxido de cobre, por ejemplo, la física microscópica es muy, muy diferente que en el sistema de fermiones pesados. Estamos viendo que todos parecen tener esta resistividad lineal en temperatura que es característica de los metales extraños, y uno debe preguntarse si hay algo genérico que sea independiente de los bloques de construcción microscópicos que se encuentran dentro de ellos". /P>
Más información: Liyang Chen et al, Ruido de disparo en un metal extraño, Ciencia (2023). DOI:10.1126/science.abq6100. www.science.org/doi/10.1126/science.abq6100
Información de la revista: Ciencia
Proporcionado por la Universidad Rice
