Ложные квазичастицы. Странные токи странных металлов.

Источник.

Результаты изучения квантового шума, проведённого командой исследователей университета Райса, представили учёным первое прямое доказательство того, что через некоторые квантовые материалы, известные как «странные металлы», электричество протекает в очень необычной форме. Это явление весьма непросто объяснить в терминах квазичастиц (или квантованных пакетов заряда), но в целом, для его понимания, следует представить, что электрический ток в проводах ведёт себя как… жидкость. Выявленные в результате измерений квантовых флуктуаций заряда, известных как «дробовый шум», сведения об этом странном поведении токов в проводнике опубликованы на этой неделе в журнале Science, где учёные признают, что «странный металлический» квантовый материал действительно оказался странным и на удивление тихим.

«Шум значительно подавлен по сравнению с обычными проводами, ‒ говорит Дуг Нателсон, автор-корреспондент исследования. ‒ Возможно, это свидетельство того, что квазичастицы не являются чётко определёнными объектами или что их просто нет и заряд движется более сложными способами. Мы должны найти правильный словарь, чтобы говорить о том, как заряд может перемещаться коллективно». 

Для понимания дальнейшего повествования нужно кое-что прояснить. В физике полно довольно сложных и ёмких понятий, и одно из них ‒ «квантовая критичность». Если вкратце, суть его заключается в фазовых переходах вещества, выражающихся в его поведении около так называемой квантовой критической точки. В макро-мире, например, падение температуры воды ниже нуля градусов вызывает замерзание и расширение, а с превышением нуля лёд тает. Это грубая иллюстрация, но, имея в виду, что условиями помимо температуры могут выступать различные факторы ‒ от магнитных полей до геометрической формы (деформаций) атомарной плёнки вещества, ‒ происходящее с водой даёт предметное представление об эффекте на квантовом уровне. Разница лишь в том, что тут уже речь идёт о явлениях вблизи абсолютного нуля температуры ‒ 0° по Кельвину или -273,15°C. Они-то, эти условия для фазовых переходов вблизи абсолютного нуля и называются квантовыми критическими точками, а составы, демонстрирующие подобные свойства ‒ квантово-критическими материалами.

Так вот. Эксперименты в рамках описываемого изучения квантового шума проводились на наноразмерных проволоках из хорошо изученного квантово-критического материала с точным соотношением иттербия, родия и кремния 1-2-2 (YbRh₂Si₂). Состав обладает высокой степенью квантовой запутанности, которая и обусловливает зависимость свойств и поведения вещества от температуры. В общем-то, тут можно снова провести аналогию с водой, с той лишь разницей, что при охлаждении ниже критической температуры исследуемый материал изменяет не агрегатное состояние, а переходит из немагнитного состояния в магнитное. Причём мгновенно. При некотором же превышении критического температурного порога, YbRh₂Si₂ выступает «тяжёлым фермионным» металлом с несущими заряд квазичастицами, которые в сотни раз массивнее простых электронов.

Этот момент тоже требует некоторых пояснений. Дело в том, что квазичастица, будучи дискретной единицей заряда ‒ это продукт неисчислимых крошечных взаимодействий между бесчисленным количеством электронов. Впервые предложенная 67 лет назад, эта концепция используется физиками для представления совокупного эффекта этих взаимодействий в виде единого квантового объекта для расчётов в сфере квантовой механики.

В ходе некоторых предыдущих теоретических исследований уже были выдвинуты осторожные предположения о том, что странные металлические носители заряда могут и не быть теми квазичастицами, за которые обычно принимались. Эксперименты с дробовым шумом позволили Дугу Нательсону и бывшему студенту его лаборатории ‒ и ведущему автору исследования ‒ Лиян Чену, а также более чем дюжине их соавторов из университета Райса и Венского технического университета собрать опытным путём первые прямые доказательства этой идеи.

«Измерение дробного шума ‒ это, по сути, способ увидеть, насколько гранулирован заряд, когда он проходит через что-либо, ‒ говорит Дуг Нательсон, профессор физики и астрономии, электротехники и вычислительной техники, материаловедения и наноинженерии. ‒ Идея заключается в том, что если я запускаю ток, то он состоит из множества дискретных носителей заряда. Они достигают со средней скоростью, но иногда они оказываются ближе друг к другу по времени, а иногда дальше друг от друга».

Применение метода в кристаллах иттербия-родия-кремния обнажило значительные технические проблемы. Так, кристаллические плёнки, специально выращенные в лаборатории Венского технического университета ведущим соавтором работы профессором Силке Пашен, должны были быть почти идеальными. И дабы остальные элементы соответствовали их уровню совершенства, Чену пришлось изыскать способ его поддержки. Для этого он разработал провода из кристалла, которые примерно в 5000 раз тоньше человеческого волоса.

Соавтор исследования и ведущий теоретик работы Квимяо Си, профессор кафедры физики и астрономии в Райс, говорит, что они с Нательсоном и профессором Пашен впервые обсудили идею экспериментов, когда последняя была приглашена в Райс в 2016 году в качестве научного сотрудника. Не без удовольствия он отмечает также, что полученные результаты согласуются с опубликованной им в 2001 году теорией квантовой критичности, над которой он продолжал работать в течение почти 20-тилетнего сотрудничества с венской коллегой Силке Пашен.

«Низкий уровень дробного шума позволил по-новому взглянуть на то, как носители зарядового тока переплетаются с другими факторами квантовой критичности, лежащими в основе странной металличности, ‒ поясняет Си, чья группа выполнила расчёты, исключившие картину квазичастиц. ‒ В теории квантовой критичности электроны выталкиваются к краю локализации, и квазичастицы теряются повсюду на поверхности Ферми».

Руководитель лаборатории, в которой проводились все эксперименты, Дуг Нательсон, говорит, что несмотря на значимость эмпирического доказательства справедливости теоретической подоплёки исследуемой идеи, есть более важный вопрос, выдвинутый этой работой. А именно ‒ может ли подобное явление возникнуть в любом или во всех десятках других соединений, которые демонстрируют странное поведение металлов.

От ответов на этот и многие другие вопросы зависят перспективы развития не только вычислительных технологий, хоть, конечно, эту сферу можно считать базовой для влияния на весь остальной мир. Тем не менее поведение заряда в таких условиях и материалах способно продвинуть методы и технологии самих научных изысканий.  

«Иногда вам кажется, что природа вам что-то говорит, ‒ поясняет он. ‒ Эта "странная металличность" проявляется во многих различных физических системах, несмотря на тот факт, что микроскопическое, лежащее в основе физики, сильно отличается. Например, в медно-оксидных сверхпроводниках микроскопическая физика очень, очень отличается от рассматриваемой нами системы с тяжёлыми фермионами. Кажется, что все они обладают линейным по температуре удельным сопротивлением, характерным для странных металлов, и вы должны задаться вопросом, происходит ли что-то общее, что не зависит от того, какие микроскопические строительные блоки находятся внутри них».

АРМК, по материалам Rice University.