Физики нашли доказательства экзотического переноса заряда в квантовом материале, сообщает sciencedaily.com.

Эксперименты предоставили первые прямые доказательства того, что электричество, по-видимому, протекает через «странные металлы» в необычной жидкообразной форме.

Квантовый материал «странный металл» оказался удивительно тихим в недавних экспериментах по квантовому шуму в Университете Райса. Опубликованные в журнале Science измерения квантовых флуктуаций заряда, известных как «дробовой шум», дают первое прямое доказательство того, что электричество, по-видимому, протекает через «странные металлы» в необычной жидкоподобной форме, которую невозможно легко объяснить в терминах квантованных пакетов заряда, известных как квазичастицы.

«Шум значительно подавляется по сравнению с обычными проводами», — сказал Дуглас Нателсон из Rice, соавтор исследования. «Возможно, это свидетельство того, что квазичастицы не являются четко определенными объектами или что их просто нет, и заряд перемещается более сложными путями. Мы должны найти правильный словарный запас, чтобы говорить о том, как заряд может двигаться коллективно».

Эксперименты проводились на наноразмерных проводах из квантово-критического материала с точным соотношением иттербия, родия и кремния (YbRh2Si2) 1−2-2, который в течение последних двух десятилетий очень глубоко изучался Силке Пашен, физиком твердого тела из Венского технологического университета (TU Wien). Материал содержит высокую степень квантовой запутанности, которая приводит к очень необычному («странному») температурно-зависимому поведению, сильно отличающемуся от поведения обычных металлов, таких как серебро или золото.

В таких обычных металлах каждая квазичастица, или дискретная единица заряда, является продуктом неисчислимых крошечных взаимодействий между бесчисленным количеством электронов. Впервые выдвинутая 67 лет назад, квазичастица — это концепция, которую физики используют для представления совокупного эффекта этих взаимодействий как единого квантового объекта для целей квантово-механических вычислений.

Некоторые предыдущие теоретические исследования предполагали, что заряд в странном металле может не переноситься такими квазичастицами, а эксперименты с шумом выстрела позволили Нателсону, ведущему автору исследования Лиян Чену, бывшему студенту лаборатории Нателсона, и другим соавторам Райс и ТУ Вин собрать первые прямые эмпирические данные для проверки идея.

«Измерение шума выстрела — это, по сути, способ увидеть, насколько гранулирован заряд, когда он проходит через что-либо», — сказал Нателсон. «Идея в том, что если я пропускаю ток, он состоит из множества дискретных носителей заряда. Они прибывают со средней скоростью, но иногда они оказываются ближе друг к другу по времени, а иногда дальше друг от друга».

Применение метода в кристаллах YbRh2Si2 сопряжено со значительными техническими трудностями. Эксперименты с дробовым шумом нельзя проводить на одиночных макроскопических кристаллах, скорее, требуются образцы наноскопических размеров. Таким образом, необходимо было добиться роста чрезвычайно тонких, но, тем не менее, идеально кристаллических пленок, что Пашену, Максвеллу Эндрюсу и их сотрудникам из TU Wien удалось после почти десятилетия напряженной работы. Затем Чену пришлось найти способ поддерживать этот уровень совершенства, создавая провода из этих тонких пленок, которые были примерно в 5000 раз уже человеческого волоса.

Соавтор Райс Чимяо Си, ведущий теоретик исследования, а также Гарри С. и Ольга К. Профессор физики и астрономии Висс сказал, что он, Нателсон и Пашен впервые обсудили идею экспериментов, когда Пашен был приглашенным ученым в Rice в 2016 году. Си отметил, что полученные результаты согласуются с теорией квантовой критичности, опубликованной им в 2001 году, которую он продолжал исследовать в течение почти двух десятилетий сотрудничества с Пашеном.

«Низкий уровень шума при съемке позволил по-новому взглянуть на то, как носители заряда вплетены в другие компоненты квантовой критичности, лежащие в основе странной металличности», — сказал Си, чья группа выполнила расчеты, которые исключили квазичастичную картину. «В этой теории квантовой критичности электроны оказываются на грани локализации, а квазичастицы теряются повсюду на поверхности Ферми».

Нателсон сказал, что более важный вопрос заключается в том, может ли подобное поведение возникнуть в любом или во всех десятках других соединений, которые проявляют странное поведение металлов.

«Иногда вам кажется, что природа вам что-то говорит», — сказал Нателсон. «Эта „странная металличность“ проявляется во многих различных физических системах, несмотря на тот факт, что микроскопическая физика, лежащая в основе, сильно отличается. Например, в сверхпроводниках из оксида меди микроскопическая физика очень сильно отличается от рассматриваемой нами системы с тяжелыми фермионами. Кажется, что все они обладают линейным температурным сопротивлением, характерным для странных металлов, и вы должны задаться вопросом, происходит ли что-то общее, не зависящее от того, какие микроскопические строительные блоки находятся внутри них».