量子物理学家破解了奇怪的金属的神秘面纱

导读 即使按照量子物理学家的标准,奇怪的金属也很奇怪。这些材料与高温超导体有关,并且与黑洞的性质有着令人惊讶的联系。奇异金属中的电子耗散

即使按照量子物理学家的标准,奇怪的金属也很奇怪。这些材料与高温超导体有关,并且与黑洞的性质有着令人惊讶的联系。奇异金属中的电子耗散能量的速度快于量子力学定律,并且与普通金属不同,奇异金属的电阻率与温度成正比。

产生对稀有金属的理论理解是凝聚态物理的最大挑战之一。现在,使用尖端的计算技术,来自纽约市Flatiron研究所和康奈尔大学的研究人员解决了第一个强大的奇怪金属理论模型。研究人员在7月22日的《科学院院刊》上报告说,这项工作揭示了奇怪的金属是一种新的物质状态。

这项研究的合著者是Flatiron研究所计算量子物理中心(CCQ)的资深研究人员Olivier Parcollet,他说:“我们称它们为奇怪的金属的事实应该告诉您我们对它们的了解程度。“奇异的金属与黑洞具有显着的特性,为理论物理学开辟了令人兴奋的新方向。”

除了Parcollet之外,研究团队还包括康奈尔大学的博士生Peter Cha,CCQ副数据科学家Nils Wentzell,CCQ主任Antoine Georges和康奈尔大学的物理学教授Eun-Ah Kim。

在量子力学世界中,电阻是电子撞击到物体中的副产品。当电子流过金属时,它们会反弹出金属中的其他电子或杂质。这些碰撞之间的时间越长,材料的电阻越低。

对于典型的金属,电阻随温度升高,遵循一个复杂的方程式。但是在不寻常的情况下,例如当高温超导体被加热到刚好停止超导的温度之上时,方程式变得更加简单。在一种奇怪的金属中,电导率直接与温度以及宇宙的两个基本常数相关:普朗克常数和玻尔兹曼常数。因此,奇怪的金属也被称为普朗克金属。

奇怪金属的模型已经存在了数十年,但是使用现有方法精确地求解此类模型已证明是遥不可及的。电子之间的量子纠缠意味着物理学家无法单独处理电子,并且材料中粒子的数量庞大,使计算更加艰巨。

Cha和他的同事采用了两种不同的方法来解决该问题。首先,他们使用了基于90年代乔治(Georges)提出的思想的量子嵌入方法。使用这种方法,物理学家不必对整个量子系统进行详细的计算,而仅对几个原子进行详细的计算,并更简单地处理系统的其余部分。然后,他们使用了量子蒙特卡洛算法(以地中海命名),该算法使用随机抽样来计算问题的答案。研究人员将奇异金属的模型解析为绝对零(负273.15摄氏度),这是宇宙中温度无法达到的下限。

由此产生的理论模型揭示了奇怪的金属的存在,它是一种新的物质状态,与物质的两个先前已知阶段相接:莫特绝缘自旋玻璃和费米液体。“我们发现,相空间中有一个整体区域表现出普朗克行为,该行为既不属于我们要在其间过渡的两个阶段,也没有。” Kim说。“这种量子自旋液体的状态并没有那么严格,但也不是完全自由的。它是一种缓慢,稀薄,泥泞的状态。它是金属的,但是勉强地是金属的,并将混乱的程度推向了量子力学的极限。 ”

这项新工作可以帮助物理学家更好地理解高温超导体的物理学。也许令人惊讶的是,这项工作与天体物理学有联系。像奇怪的金属一样,黑洞的性质仅取决于温度以及普朗克常数和玻尔兹曼常数,例如,黑洞与另一个黑洞合并后“响”的时间。Parcollet说:“在从普朗克金属到黑洞的所有这些不同系统中,您都发现相同的缩放比例,这一事实令人着迷。”

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