Cu toții am învățat că electricitatea este cauzată de electronii care se mișcă într-un metal. Fiecare electron poartă o sarcină discretă. Imaginea este mai complicată deoarece electronii se resping reciproc. Orice mișcare a unui singur electron poate perturba un nor de electroni învecinați. Dacă perturbarea este ușoară, electronii ajung să se miște în aglomerări, nu ca entități solitare. Fizicienii numesc aceste aglomerări cvasiparticule de electroni. În cele din urmă, un curent este încă transportat de sarcini discrete, cu excepția faptului că aceste sarcini discrete nu sunt din punct de vedere tehnic electroni „liberi”. Această mișcare colectivă, numită lichid Fermi, a fost teoria standard a metalelor timp de șase decenii.
Cu toate acestea, mulți conductori noi, numiți „metale ciudate”, nu reușesc să se supună acestei paradigme. În aceste materiale, electricitatea nu este transportată de sarcini discrete, ci de altceva. Folosind o tehnică de măsurare numită zgomot de împușcare, cercetătorii au observat o estompare cuantică radicală a electronilor într-un lichid lipsit de caracteristici.
Explicația lichidului Fermi a transportului electric este unul dintre succesele fundamentale ale fizicii materiei condensate – studiul substanțelor solide. Această nouă cercetare provoacă înțelegerea actuală și poate duce la o nouă teorie a transportului electric. Repercusiunile ar putea fi de mare anvergură. De exemplu, înțelegerea abaterii de la comportamentul lichidului Fermi ar putea dezvălui funcționarea ascunsă a supraconductorilor de temperatură înaltă, care în starea lor normală, nesuperconductoare, se comportă ca niște metale ciudate.
Metalele ciudate sfidează înțelegerea ortodoxă a transportului electric prin sarcini discrete. În aceste materiale, rezistența se modifică liniar la temperatură scăzută. În schimb, purtătorii tipici de metale au un comportament pătratic în schimbarea rezistenței. Pentru a determina dacă electricitatea este transportată în bucăți discrete, cercetătorii au folosit o tehnică numită zgomot de împușcare.
Zgomotul loviturii măsoară fluctuațiile aleatorii ale unui curent electric continuu. Aceste fluctuații aleatorii apar deoarece curentul este un flux de sarcini discrete și sosirea fiecărei sarcini variază statistic. Este ca atunci când un număr mic de picături mari de ploaie lovesc un acoperiș. Nu toți lovesc de acoperiș în același timp, ci mai degrabă sosirea lor este distribuită. În acest caz, zgomotul de împușcare este ridicat. La cealaltă extremă, dacă ploaia este suficient de puternică, nu există picături – fluxul de ploaie este continuu și lipsit de trăsături. Aceasta este ceea ce pare să se întâmple în metalele ciudate.
Măsurarea zgomotului loviturii fără influențe externe nu este ușoară. Într-un metal, vibrația rețelei atomilor poate împinge electronii și poate ascunde zgomotul de împușcare. Cercetătorii au trebuit să fabrice fire la scară nanometrică atât de mici încât electronii trec prin ele mai repede decât este nevoie pentru a simți ondulațiile vibrațiilor rețelei. Experimentele au oferit dovezi puternice că în metalul ciudat YbRh 2 Si 2 nu există cvasiparticule, iar curentul nu este transportat de bucăți discrete. E ca și cum electronii își pierd identitatea și se topesc într-o supă cuantică.
Afirmația de absență a cvasiparticulelor este una foarte puternică și nu toți fizicienii sunt pregătiți să o accepte. Aceste rezultate vor declanșa o serie de investigații importante și vor contribui la dezvoltarea de noi teorii despre metale ciudate.
Această lucrare a fost finanțată de Departamentul de Energie Biroul de Știință, domeniul de cercetare Fizica Materiei Condensate Experimentale a programului de Științe Energetice de bază. Sprijin suplimentar a fost oferit de Fundația Națională pentru Știință, Consiliul European de Cercetare, Fondul Austriac pentru Știință, Agenția Austriacă de Promovare a Cercetării, un grant al Uniunii Europene Orizont 2020, Oficiul pentru Cercetare Științifică a Forțelor Aeriene din SUA, un Grant al Fundației Robert A. Welch și o bursă de facultate Vannevar Bush.
Resurse
- Chen, Liyang, Lowder, Dale T., Bakali, Emine, Andrews, Aaron Maxwell, Schrenk, Werner, Waas, Monika, Svagera, Robert, Eguchi, Gaku, Prochaska, Lukas, Wang, Yiming, Setty, Chandan, Sur, Shouvik, Si, Qimiao, Paschen, Silke și Natel Douglasson. Zgomot de împușcătură într-un metal ciudat.
