Mærkeligt metal er stille, når det kommer til skudstøj – Physics World

Mærkeligt metal er stille, når det kommer til skudstøj – Physics World

Tidsstempel: 11. december 2023 kl. 11:06

Mærkelig metal nanotråd
Stille leder: scanningselektronmikroskopbillede af en lang nanotråd lavet af det mærkelige metal. Skalalinjen nederst til højre er 10 mikron lang. (Med høflighed Liyang Chen/Natelson research group/Rice University)

Støjmålinger tyder på, at et "mærkeligt metal" ikke leder elektricitet via diskrete ladningsbærere, ifølge forskere i USA og Østrig. Doug Natelson på Rice University,  Silke Paschen på det tekniske universitet i Wien og kolleger har målt lave niveauer af skudstøj i nanotråde lavet af et mærkeligt metal. Deres opdagelse kan åbne et nyt forskningsområde i disse spændende materialer.

Siden 1950'erne har Fermi-væske-teorien gjort et meget godt stykke arbejde med at beskrive adfærden af ​​ledningselektronerne i de fleste metaller. Ifølge teorien opstår elektriske strømme gennem bevægelse af kvasipartikler, som er kollektive excitationer af ledningselektroner, der opfører sig meget som partikler. En nyttig analogi er, at bevægelsen af ​​en person i en menneskemængde også involverer bevægelsen af ​​omgivende mennesker - som går af vejen og udfylder huller, der efterlades i kølvandet på bevægelse.

Som et resultat af sin succes har Fermi væsketeori opnået den uformelle titel "standardmodellen" af almindelige metaller. Men meget ligesom standardmodellen for partikelfysik, er teorien kendt for at have sine grænser.

"I løbet af de sidste 40 år er det især blevet klart, at der er metaller, der ikke ser ud til at passe til Fermi-væskebilledet, og mange af dem deler lignende egenskaber," forklarer Natelson.

Fede argumenter

"Der er en masse diskussion om, hvorvidt der er et samlende billede bag disse mærkelige metaller, og nogle dristige argumenter har forudsagt, at kvasipartikler måske ikke er den rigtige beskrivelse af ladningsstrømmen i disse systemer," siger Natelson.

I deres undersøgelse undersøgte holdet, om måling af skudstøj i et mærkeligt metal kunne være en pålidelig måde at teste disse ideer på. Skudstøj opstår i almindelige metaller, fordi strømmen føres af diskrete kvasipartikler. Det betyder, at små udsving i antallet af kvasipartikler ved lave strømme fører til udsving i den målte strøm – og disse udsving kaldes skudstøj.

Hvis kvasipartikler faktisk er fraværende fra mærkelige metaller, ræsonnerede Natelson og kolleger, at skudstøj også burde være fraværende. For at udforske denne idé eksperimenterede de med forbindelsen ytterbium dirhodium disilicid (YbRh2Si2), som er et af de mest undersøgte mærkelige metaller.

Indviklede spins

"Dette system viser en mærkelig metal-respons ved overgangen mellem to forskellige Fermi-væsketilstande, hver med et forskelligt effektivt antal ladningsbærere," forklarer Natelson. Tæt på denne grænse viste tidligere undersøgelser, at elektronladninger bliver dybt viklet ind i deres spins, hvilket i sidste ende får elektron-kvasipartikler til at forsvinde.

Holdet var inspireret af eksperimenter, der blev udført første gang i 1990'erne, som omhyggeligt målte skudstøj i nanotråde lavet af en række almindelige metaller - inklusive guld. Disse målinger matchede nøje forudsigelserne fra Fermi væsketeori.

I deres egne eksperimenter brugte forskerne en ny fremstillingsteknik til at skabe YbRh2Si2 nanotråde, og fulgte derefter de samme måleprocedurer, som blev brugt i de tidligere undersøgelser.

Uforklarlig stilhed

”Vi fandt ud af, at støjen i YbRh2Si2 ledninger er meget lavere end det, der ses i guldtråde," forklarer Natelson. ”Gennem andre målinger i længere YbRh2Si2 ledninger, har vi vist, at elektron-fononspredning tilsyneladende ikke kan forklare denne støjdæmpning i dette system."

Deres målinger giver stærke beviser for, at kvasipartikler er fraværende i mærkelige metaller som YbRh2Si2. Dette understøtter nogle fysikeres langvarige mistanke om, at Fermi-væsketeorien ikke kan give en fuldstændig beskrivelse af, hvordan mærkelige metaller opfører sig.

"Det her er ret spændende," siger Natelson. "Det er vigtigt nu at teste for at se, om denne undertrykte støj ses i andre mærkelige metaller, eller om vi kan tune mellem 'konventionel' og undertrykt støj ved at tune ind og ud af det mærkelige metalregime." Hvis dette er tilfældet, kan dette åbne et spændende nyt forskningsområde - muligvis endda føre til nye familier af eksotiske metaller.

Forskningen er beskrevet i Videnskab.

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden