Fiel à forma, um material quântico de “metal estranho” mostrou-se estranhamente silencioso em recentes experimentos de ruído quântico na Universidade Rice. Publicado esta semana em Ciência , as medições das flutuações quânticas de carga conhecidas como "ruído de disparo" fornecem a primeira evidência direta de que a eletricidade parece fluir através de metais estranhos em uma forma incomum semelhante a um líquido que não pode ser facilmente explicada em termos de pacotes quantizados de carga conhecidos como quasipartículas.



“O ruído é bastante suprimido em comparação com fios comuns”, disse Doug Natelson, da Rice, autor correspondente do estudo. "Talvez isto seja uma evidência de que as quasipartículas não são coisas bem definidas ou que simplesmente não existem e a carga se move de maneiras mais complicadas. Temos que encontrar o vocabulário certo para falar sobre como a carga pode se mover coletivamente."

Os experimentos foram realizados em fios em nanoescala de um material quântico crítico bem estudado com uma proporção precisa de 1-2-2 de itérbio, ródio e silício (YbRh₂ Si₂ ). O material contém um alto grau de emaranhamento quântico que produz um comportamento dependente da temperatura.

Se resfriado abaixo de uma temperatura crítica, por exemplo, o material passa instantaneamente de não magnético para magnético. Em temperaturas ligeiramente acima do limite crítico, YbRh₂ Si₂ é um metal "férmion pesado", com quasipartículas portadoras de carga que são centenas de vezes mais massivas que os elétrons nus.

Nos metais, cada quasipartícula, ou unidade discreta, de carga é o produto de minúsculas interações incalculáveis ​​entre incontáveis ​​elétrons. Apresentada pela primeira vez há 67 anos, a quasipartícula é um conceito que os físicos usam para representar o efeito combinado dessas interações como um único objeto quântico para fins de cálculos da mecânica quântica.

Alguns estudos teóricos anteriores sugeriram que estranhos portadores de carga metálica podem não ser quasipartículas, e experimentos com ruído de disparo permitiram que Natelson, o principal autor do estudo, Liyang Chen, um ex-aluno do laboratório de Natelson, e mais de uma dúzia de coautores de Rice e da Universidade Técnica de Viena (TU-Wien) para reunir a primeira evidência empírica direta para testar a ideia.

"A medição do ruído de disparo é basicamente uma forma de ver quão granular é a carga à medida que passa por algo", disse Natelson, professor de física e astronomia, engenharia elétrica e de computação e ciência de materiais e nanoengenharia.

“A ideia é que, se estou conduzindo uma corrente, ela consiste em um grupo de portadores de carga discretos. Eles chegam a uma taxa média, mas às vezes eles estão mais próximos no tempo, e às vezes estão mais distantes.”

A aplicação da técnica em cristais feitos a partir da proporção 1-2-2 de itérbio, ródio e silício apresentou desafios técnicos significativos. Por exemplo, os filmes cristalinos, que foram cultivados no laboratório da co-autora principal da TU-Wien, Silke Paschen, tinham que ser quase perfeitos. E Chen teve que encontrar uma maneira de manter esse nível de perfeição enquanto criava fios de cristal que eram cerca de 5.000 vezes mais estreitos que um fio de cabelo humano.

O co-autor de Rice, Qimiao Si, o principal teórico do estudo e professor de Física e Astronomia Harry C. e Olga K. Wiess, disse que ele, Natelson e Paschen discutiram pela primeira vez a ideia dos experimentos enquanto Paschen era um pesquisador visitante em Rice. em 2016. Si disse que os resultados são consistentes com uma teoria de criticidade quântica que ele publicou em 2001 e continuou a explorar em uma colaboração de quase duas décadas com Paschen.

"O baixo ruído trouxe novos insights sobre como os portadores de corrente de carga se entrelaçam com os outros agentes da criticidade quântica que está por trás da estranha metalicidade", disse Si, cujo grupo realizou cálculos que descartaram a imagem de quasipartículas. "Nesta teoria da criticidade quântica, os elétrons são empurrados para o limite da localização e as quasipartículas são perdidas em todos os lugares da superfície de Fermi."

Natelson disse que a grande questão é se um comportamento semelhante pode surgir em algum ou em todos os dezenas de outros compostos que exibem comportamento metálico estranho.

“Às vezes você sente que a natureza está lhe dizendo algo”, disse Natelson. "Essa 'estranha metalicidade' aparece em muitos sistemas físicos diferentes, apesar do fato de que a física microscópica subjacente é muito diferente. Em supercondutores de óxido de cobre, por exemplo, a física microscópica é muito, muito diferente do que no sistema de férmions pesados estamos olhando. Todos eles parecem ter essa resistividade linear em temperatura que é característica de metais estranhos, e você deve se perguntar se há algo genérico acontecendo que é independente de quaisquer que sejam os blocos de construção microscópicos dentro deles.

Mais informações: Liyang Chen et al, Ruído de tiro em um metal estranho, Ciência (2023). DOI:10.1126/science.abq6100. www.science.org/doi/10.1126/science.abq6100
Informações do diário: Ciência

Fornecido pela Rice University