Die erste universelle Theorie seltsamer Metalle könnte helfen zu erklären, warum sie sich so seltsam verhalten – zum Beispiel, warum sie dem Elektronenfluss mehr Widerstand leisten als gewöhnliche Metalle wie Gold oder Kupfer. Die neue Theorie, die von Forschern des Flatiron Institute in New York City und der Harvard University, beide in den USA, entwickelt wurde, berücksichtigt zwei Eigenschaften seltsamer Metalle: die Quantenverschränkung ihrer Elektronen und die ungleichmäßige Anordnung ihrer Atome. Die Arbeit könnte unser Verständnis von Hochtemperatursupraleitern und anderen korrelierten Quantenmaterialien verbessern.
Seltsame Metalle liegen irgendwo zwischen Metallen und Isolatoren und verdanken ihren Namen dem besonderen Verhalten ihrer Elektronen. Im Gegensatz zu Elektronen in gewöhnlichen Metallen, die sich frei mit wenigen Wechselwirkungen und geringem Widerstand bewegen, bewegen sich Elektronen in fremden Metallen träge und eingeschränkt. Auch die Elektronen in einem fremden Metall verlieren die „Erinnerung“ an ihre früheren Positionen mit der schnellstmöglichen Geschwindigkeit, die die Grundgesetze der Quantenmechanik zulassen.
Noch seltsamer ist, dass Forscher kürzlich herausgefunden haben, dass die 1987 entdeckten Hochtemperatur-Supraleiter Cuprat (Kupferoxid) neben einer supraleitenden Phase auch eine seltsame Metallphase enthalten. Die seltsame Phase tritt auf, wenn die Kupferoxidschicht stark mit Löchern dotiert ist, und sie stellt die Physiker vor ein Rätsel, da sie nicht mit herkömmlichen Theorien beschrieben werden kann, die Elektronen als unabhängige Quantenteilchen behandeln und jegliche Quantenverschränkung zwischen ihnen weitgehend ignorieren.
Subtiles Zusammenspiel zwischen Vielelektronenverschränkung und Unordnung
„Das Verständnis dieser seltsamen Phase ist ein notwendiger Bestandteil jeder Theorie der Hochtemperatursupraleitung, und in den letzten Jahrzehnten wurden große Anstrengungen in diese Richtung unternommen“, sagt er Subir Sachdev of Harvard, der die neue Studie gemeinsam mit leitete Aavishkar Patel dauert ebenfalls 3 Jahre. Das erste Jahr ist das sog. Flatiron-Institut Zentrum für Computational Quantum Physics (CCQ). „Wir schlagen in unserer Arbeit eine neue Theorie vor, die mit bestehenden Beobachtungen übereinstimmt und das subtile Zusammenspiel zwischen der Vielelektronenverschränkung und der Unordnung hervorhebt, die in allen Kristallen aufgrund der Anwesenheit von Verunreinigungen vorhanden ist.“
Die Unregelmäßigkeit der Anordnung eines seltsamen Metalls bedeutet, dass die Art seiner Elektronenverschränkungen stark davon abhängt, wo die Verschränkung innerhalb des Materials stattfindet, fügt Sachdev hinzu. Diese Inhomogenität verleiht dem Impuls der Elektronen Zufälligkeit, wenn sie sich durch das Material ausbreiten und miteinander interagieren. Dadurch fließen die Elektronen nicht zusammen, sondern kollidieren in alle Richtungen miteinander und stoßen sich gegenseitig herum, wodurch elektrischer Widerstand entsteht. Und weil die Elektronen mit steigender Temperatur des Materials häufiger kollidieren, steigt der elektrische Widerstand proportional mit der Temperatur.
Ein realistischeres Modell
Dieses Zusammenspiel von Verschränkung und Ungleichmäßigkeit wurde noch nie zuvor in irgendeinem Material experimentell dokumentiert, aber Patel stellt fest, dass es sich um ein äußerst einfaches Konzept handelt – zumindest im Nachhinein.
„Die ursprüngliche Idee war mein Vorschlag aus dem Jahr 1993 in einer Variation dessen, was heute als Sachdev-Ye-Kitaev-Modell bezeichnet wird“, erzählt Sachdev Physik-Welt. „Dies ist ein einfaches, lösbares Spielzeugmodell, das es uns ermöglicht, das Zusammenspiel zwischen Quantenverschränkung und Unordnung in einem Regime zu untersuchen, in dem der Strom in einer verschränkten ‚Quantensuppe‘ und nicht über einzelne Elektronen fließt.“
Seitdem haben die Forscher nach Möglichkeiten gesucht, dieses Spielzeugmodell durch die Zusammenarbeit mit Experimentatoren und Theoretikern – insbesondere Flatirons – realistischer zu gestalten Anthony George und Olivier Parcollet. „Nach vielen Fehlschlägen auf dem Weg sind wir schließlich auf die in unserer vorliegenden Studie beschriebene Verallgemeinerung gestoßen, auf die wir im Detail eingehen Wissenschaft, während langer Diskussionen mit meinen Co-Autoren während der Pandemie“, sagt Sachdev.
„Widerwillige“ Metalle erzeugen einen neuen Aggregatzustand
Die Theorie könnte als „Startrampe“ zum Verständnis des vollständigen Phasendiagramms der Hochtemperatursupraleiter auf Kupferoxidbasis und einer Reihe anderer verwandter Quantenmaterialien dienen, fügt er hinzu.
Das Flatiron/Harvard-Team berechnet nun viele beobachtbare Eigenschaften seiner Theorie, darunter das Rauschen im Stromfluss und die Reaktion auf starkes Laserlicht und Magnetfelder. „Wir werden diese Ergebnisse mit laufenden Experimenten vergleichen und hoffen, ein vollständiges Bild der zugrunde liegenden Physik zu erhalten“, schließt Sachdev.
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- Quelle: https://physicsworld.com/a/strange-metals-reveal-their-secrets/
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