Seltsames Metall ist ruhig, wenn es um Schussgeräusche geht – Physics World

Laut Forschern in den USA und Österreich legen Lärmmessungen nahe, dass ein „seltsames Metall“ Strom nicht über diskrete Ladungsträger leitet. Doug Natelson an der Rice University,  Silke Paschen an der Technischen Universität Wien und Kollegen haben geringe Schrotrauschpegel in Nanodrähten aus einem seltsamen Metall gemessen. Ihre Entdeckung könnte ein neues Forschungsgebiet für diese faszinierenden Materialien eröffnen.

Seit den 1950er Jahren hat die Fermi-Flüssigkeits-Theorie das Verhalten der Leitungselektronen in den meisten Metallen sehr gut beschrieben. Der Theorie zufolge entstehen elektrische Ströme durch die Bewegung von Quasiteilchen, bei denen es sich um kollektive Anregungen von Leitungselektronen handelt, die sich ähnlich wie Teilchen verhalten. Eine nützliche Analogie ist, dass die Bewegung einer Person in einer Menschenmenge auch die Bewegung der umstehenden Menschen mit sich bringt – die aus dem Weg gehen und Lücken füllen, die durch die Bewegung entstanden sind.

Aufgrund ihres Erfolgs hat sich die Fermi-Flüssigkeitstheorie den informellen Titel „Standardmodell“ gewöhnlicher Metalle verdient. Aber ähnlich wie das Standardmodell der Teilchenphysik hat die Theorie bekanntermaßen ihre Grenzen.

„Insbesondere in den letzten 40 Jahren wurde deutlich, dass es Metalle gibt, die nicht in das Bild der Fermi-Flüssigkeit zu passen scheinen, und viele von ihnen weisen ähnliche Eigenschaften auf“, erklärt Natelson.

Mutige Argumente

„Es gibt viele Diskussionen darüber, ob sich hinter diesen seltsamen Metallen ein einheitliches Bild verbirgt, und einige mutige Argumente haben vorhergesagt, dass Quasiteilchen möglicherweise nicht die richtige Beschreibung des Ladungsflusses in diesen Systemen sind“, sagt Natelson.

In ihrer Studie untersuchte das Team, ob die Messung des Schrotrauschens in einem fremden Metall eine zuverlässige Möglichkeit sein könnte, diese Ideen zu testen. Schrotrauschen entsteht in gewöhnlichen Metallen, weil der Strom von diskreten Quasiteilchen getragen wird. Das bedeutet, dass bei kleinen Strömen kleine Schwankungen in der Anzahl der Quasiteilchen zu Schwankungen im gemessenen Strom führen – und diese Schwankungen werden Schrotrauschen genannt.

Wenn in seltsamen Metallen tatsächlich Quasiteilchen fehlen, so schlussfolgerten Natelson und Kollegen, dass es auch kein Schrotrauschen geben sollte. Um dieser Idee nachzugehen, experimentierten sie mit der Verbindung Ytterbium-Dirhodium-Disilizid (YbRh).₂Si₂), eines der am häufigsten untersuchten seltsamen Metalle.

Verwickelte Spins

„Dieses System zeigt eine seltsame Metallreaktion beim Übergang zwischen zwei verschiedenen Fermi-Flüssigkeitszuständen mit jeweils einer unterschiedlichen effektiven Anzahl von Ladungsträgern“, erklärt Natelson. In der Nähe dieser Grenze fanden frühere Studien heraus, dass sich Elektronenladungen tief mit ihren Spins verschränken, was letztendlich zum Verschwinden von Elektronenquasiteilchen führt.

Das Team ließ sich von Experimenten inspirieren, die erstmals in den 1990er Jahren durchgeführt wurden und bei denen das Schrotrauschen in Nanodrähten aus verschiedenen gewöhnlichen Metallen – einschließlich Gold – sorgfältig gemessen wurde. Diese Messungen stimmten weitgehend mit den Vorhersagen der Fermi-Flüssigkeitstheorie überein.

In ihren eigenen Experimenten verwendeten die Forscher eine neue Herstellungstechnik, um YbRh herzustellen₂Si₂ Nanodrähte und folgten dann den gleichen Messverfahren wie in den vorherigen Studien.

Unerklärliche Stille

„Wir haben festgestellt, dass das Rauschen in YbRh₂Si₂ „Die Lebensdauer von Golddrähten ist viel geringer als bei Golddrähten“, erklärt Natelson. „Durch andere Messungen in längerem YbRh₂Si₂ Wir haben gezeigt, dass die Elektron-Phonon-Streuung diese Rauschunterdrückung in diesem System scheinbar nicht erklären kann.“

Seltsame Metalle offenbaren ihre Geheimnisse

Ihre Messungen liefern starke Beweise dafür, dass Quasiteilchen in seltsamen Metallen wie YbRh fehlen₂Si₂. Dies stützt den seit langem bestehenden Verdacht einiger Physiker, dass die Fermi-Flüssigkeitstheorie keine vollständige Beschreibung des Verhaltens seltsamer Metalle liefern kann.

„Das ist ziemlich aufregend“, sagt Natelson. „Jetzt ist es wichtig zu testen, ob dieses unterdrückte Rauschen auch in anderen seltsamen Metallen zu sehen ist oder ob wir zwischen ‚konventionellem‘ und unterdrücktem Rauschen wechseln können, indem wir den seltsamen Metallbereich ein- und ausschalten.“ Sollte dies der Fall sein, könnte dies ein spannendes neues Forschungsgebiet eröffnen – möglicherweise sogar zu neuen Familien exotischer Metalle.

Die Forschung ist beschrieben in Wissenschaft.

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/strange-metal-is-quiet-when-it-comes-to-shot-noise/