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 Ciencialas 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 considerablemente en comparación con los cables ordinarios», dijo Douglas 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 con una proporción precisa de 1-2-2 de iterbio, rodio y silicio (YbRh2Si2), que ha sido estudiado en gran profundidad durante las últimas dos décadas por Silke Paschen, una científica de sólidos. físico estatal de la Universidad Tecnológica de Viena (TU Wien). El material contiene un alto grado de entrelazamiento cuántico que produce un comportamiento dependiente de la temperatura muy inusual («extraño») que es muy diferente del de metales normales como la plata o el oro.
En estos metales normales, cada cuasipartícula, o unidad discreta, de carga es el producto de diminutas interacciones incalculables entre innumerables electrones. La cuasipartícula, propuesta por primera vez hace 67 años, es un concepto que los físicos utilizan para representar el efecto combinado de esas interacciones como un único objeto cuántico a los efectos de los cálculos de la mecánica cuántica.
Algunos estudios teóricos anteriores han sugerido que la carga en un metal extraño podría no ser transportada por tales 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 otros coautores de Rice y 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 qué tan granular es la carga cuando atraviesa algo», dijo Natelson. «La idea es que si estoy impulsando una corriente, ésta se compone de un conjunto 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 de YbRh2Si2 presentó importantes desafíos técnicos. Los experimentos con ruido de disparo no se pueden realizar en cristales macroscópicos individuales, sino que requieren muestras de dimensiones nanoscópicas. Por lo tanto, había que lograr el crecimiento de películas extremadamente delgadas pero perfectamente cristalinas, algo que Paschen, Maxwell Andrews y sus colaboradores de TU Wien lograron después de casi una década de arduo trabajo. A continuación, Chen tuvo que encontrar una manera de mantener ese nivel de perfección mientras creaba cables a partir de estas finas películas que eran aproximadamente 5.000 veces más estrechas 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 seguido 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 en todas partes de la superficie de Fermi».
Natelson dijo que la pregunta más importante es si podría surgir un comportamiento similar en alguno 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 los fermiones pesados. sistema que estamos viendo. Todos parecen tener esta resistividad lineal en temperatura que es característica de 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».
La investigación fue apoyada por el programa de Ciencias Energéticas Básicas del Departamento de Energía (DE-FG02-06ER46337), la Fundación Nacional de Ciencias (1704264, 2220603), el Consejo Europeo de Investigación (101055088), el Fondo Austriaco para la Ciencia (FWF I4047, FWF SFB F 86), la Agencia Austriaca de Promoción de la Investigación (FFG 2156529, FFG 883941), el programa Horizonte 2020 de la Unión Europea (824109-EMP), la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea (FA8665-22-1-7170), la Fundación Welch (C -1411) y la beca docente Vannevar Bush (ONR-VB-N00014-23-1-2870).
