奇怪的金属在噪音实验中出奇地安静

莱斯大学最近的量子噪声实验证明，一种“奇怪的金属”量子材料确实出奇地安静。本周在《科学》杂志上发表的对被称为“散粒噪声”的量子电荷波动的测量提供了第一个直接证据，表明电流似乎以一种不寻常的液体形式流过奇怪的金属，而这种形式无法用称为“散粒噪声”的量化电荷包来解释。准粒子。

“与普通电线相比，噪音得到了极大的抑制，”该研究的通讯作者莱斯大学的道格拉斯·内特尔森 (Douglas Natelson) 说。“也许这证明准粒子不是明确定义的东西，或者它们只是不存在并且电荷以更复杂的方式移动。我们必须找到正确的词汇来讨论电荷如何集体移动。”

这些实验是在镱、铑和硅 (YbRh2Si2) 的精确 1-2-2 比例的量子临界材料的纳米级线上进行的，在过去的二十年里，Silke Paschen 对此进行了深入的研究。维也纳科技大学(TU Wien)的国家物理学家。该材料含有高度的量子纠缠，会产生一种非常不寻常(“奇怪”)的温度依赖性行为，与银或金等普通金属的行为截然不同。

在这种普通金属中，每个准粒子或离散的电荷单位都是无数电子之间不可估量的微小相互作用的产物。准粒子于 67 年前首次提出，是物理学家用来将这些相互作用的综合效应表示为单个量子物体的概念，用于量子力学计算。

一些先前的理论研究表明，奇怪金属中的电荷可能不会由这种准粒子携带，并且散粒噪声实验允许内特尔森、研究主要作者、内特尔森实验室的前学生陈立阳以及莱斯大学和维也纳工业大学的其他合著者收集第一个直接的经验证据来检验这个想法。

“散粒噪声测量基本上是一种了解电荷穿过某物时的颗粒程度的方法，”内特尔森说。“这个想法是，如果我驱动电流，它由一堆离散的电荷载流子组成。它们以平均速度到达，但有时它们在时间上碰巧更接近，有时则相距较远。”

在 YbRh2Si2 晶体中应用该技术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，而是需要纳米尺寸的样本。因此，必须实现极薄但完美结晶的薄膜的生长，这是帕申、麦克斯韦·安德鲁斯和他们在维也纳工业大学的合作者经过近十年的努力才实现的。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丝细约 5,000 倍的薄膜制作电线。

莱斯大学的合著者、这项研究的首席理论家、Harry C. Wiess 和 Olga K. Wiess 物理与天文学教授 Qimiao Si 表示，他、Natelson 和 Paschen 第一次讨论了实验的想法，当时 Paschen 是莱斯大学的访问学者2016 年。Si 表示，这些结果与他在 2001 年发表的量子临界理论相一致，他在与 Paschen 的近两年合作中继续探索这一理论。

“低散粒噪声带来了关于电荷载流子如何与奇怪金属性背后的量子临界性的其他因素交织在一起的新见解，”Si 说，他的团队进行的计算排除了准粒子图像。“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消失。”

内特尔森说，更大的问题是，在其他几十种表现出奇怪金属行为的化合物中，是否会出现类似的行为。

“有时你会觉得大自然正在告诉你一些事情，”内特尔森说。“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、基础的物理系统非常不同。例如，在铜氧化物超导体中，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奇怪金属所特有的温度线性电阻率，你不得不想知道是否存在一些与它们内部的微观构件无关的通用现象。”

该研究得到了基础能源科学计划 (DE-FG02-06ER46337)、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) 的支持86)、奥地利研究促进局 (FFG 2156529、FFG 883941)、欧盟地平线 2020 计划 (824109-EMP)、空军科学研究办公室 (FA8665-22-1-7170)、韦尔奇基金会 (C -1411)和万尼瓦尔·布什教职人员奖学金(ONR-VB-N00014-23-1-2870)。