Forskere har længe forsøgt at afsløre mysterierne om mærkelige metaller – materialer, der trodser konventionelle regler for elektricitet og magnetisme. Nu har et team af fysikere ved Rice University gjort et gennembrud på dette område ved hjælp af et værktøj fra Quantum Information Science. Deres undersøgelse, der for nylig blev offentliggjort i Naturkommunikationafslører, at elektroner i mærkelige metaller bliver mere sammenfiltret ved et afgørende tippunkt, der kaster nyt lys over opførelsen af disse gådefulde materialer. Opdagelsen kunne bane vejen for fremskridt inden for superledere med potentialet til at transformere energiforbrug i fremtiden.
I modsætning til konventionelle metaller såsom kobber eller guld, der har velforståede elektriske egenskaber, opfører mærkelige metaller sig på meget mere komplekse måder, hvilket gør deres indre arbejde ud over lærebogens beskrivelse. Anført af Qimiao Si, Harry C. og Olga K. Wiess -professor i fysik og astronomi, vendte forskerteamet sig til Quantum Fisher Information (QFI), et koncept fra kvante metrologi, der blev brugt til at måle, hvordan elektroninteraktioner udvikler sig under ekstreme forhold for at finde svar. Deres forskning viser, at elektronforvikling, et grundlæggende kvantefænomen, topper på et kvantekritisk punkt: overgangen mellem to stoftilstande.
“Vores fund afslører, at underlige metaller udviser et unikt sammenfiltringsmønster, der tilbyder en ny linse til at forstå deres eksotiske opførsel,” sagde Si. “Ved at udnytte kvanteinformationsteorien afslører vi dybe kvantekorrelationer, der tidligere var utilgængelige.”
En ny måde at studere mærkelige metaller på
I de fleste metaller bevæger elektroner sig på en ordnet måde efter veletablerede fysiklov. Mærkelige metaller bryder imidlertid disse regler, der viser usædvanlig modstand mod elektricitet og opfører sig på usædvanlige måder ved meget lave temperaturer. For at udforske dette puslespil fokuserede forskerne på en teoretisk model kaldet Kondo -gitteret, der beskriver, hvordan magnetiske øjeblikke interagerer med omgivende elektroner.
På et kritisk overgangspunkt bliver disse interaktioner så intense, at de grundlæggende byggesten til elektrisk opførsel, kendt som kvasipartikler, forsvinder. Ved hjælp af QFI spurgte forskerne oprindelsen af dette kvasipartikeltab til, hvordan elektronspins bliver sammenfiltrede, idet de konstaterede, at sammenfiltring når sit højdepunkt nøjagtigt på dette kvantekriske punkt.
Denne nye tilgang anvender QFI, primært anvendt i kvanteinformation og præcisionsmålinger, til studiet af metaller.
“Ved at integrere kvanteinformationsvidenskab med kondenseret stoffysik drejer vi i en ny retning i materialerforskning,” sagde Si.
Mulig sti til mere effektiv energi
Forskernes teoretiske beregninger matchede uventet eksperimentelle data i den virkelige verden, specifikt tilpasning til resultater fra uelastisk neutronspredning, en teknik, der bruges til at undersøge materialer på atomniveau. Denne forbindelse styrker ideen om, at kvanteforvikling spiller en grundlæggende rolle i opførslen af mærkelige metaller.
At forstå mærkelige metaller er mere end bare en akademisk udfordring; Det kan have betydelige teknologiske fordele. Disse materialer deler en tæt forbindelse med superledere med høj temperatur, som har potentialet til at overføre elektricitet uden energitab. At låse deres egenskaber op kunne revolutionere strømnettet, hvilket gør energitransmission mere effektiv.
Undersøgelsen demonstrerer også, hvordan kvanteinformationsværktøjer kan anvendes på andre eksotiske materialer. Mærkelige metaller kunne spille en rolle i fremtidige kvanteteknologier, hvor forbedret sammenfiltring er en værdifuld ressource. Forskningen giver en ny ramme til karakterisering af disse komplekse materialer ved at vise, hvornår sammenfiltringstoppe.
Forskningsteamet omfattede Rice’s Yuan Fang, Yiming Wang, Mounica Mahankali og Lei Chen sammen med Haoyu Hu fra Donostia International Physics Center og Silke Paschen fra Wien University of Technology.