一项突破性研究表明，量子临界金属在低温下展现出违反常规物理规则的奇异行为，这些发现不仅挑战了传统理论，还可能为高温超导体的发展提供关键线索。探索量子金属的神秘世界，揭开它们如何颠覆物理学家对材料行为的认知。
一项新的研究探讨了在低温下表现异常的量子临界金属如何挑战传统的物理理论。
研究表明，这些金属在量子临界点经历显着变化，可能为高温超导体的发展提供信息。
奇怪的金属和量子涨落
莱斯大学物理学家斯奇苗最近领导的一项研究揭示了量子临界金属的神秘行为——这种材料在低温下打破了通常的物理规则。该研究于 12 月 9 日发表在《自然物理学》杂志上，探讨了量子临界点 (QCP)，即材料在两种不同状态之间徘徊的状态，例如磁性或非磁性。这些发现有助于解释这些金属的独特性质，并为高温超导体提供新的见解，高温超导体在相对较高的温度下可以无电阻地导电。
这项研究的核心是量子临界性，在这种状态下，材料对量子涨落变得极其敏感——量子涨落会改变电子的行为方式。虽然大多数金属都遵循既定的物理定律，但量子临界金属却违背了这些预期，表现出不寻常的集体行为，这些行为让科学家们困惑了几十年。物理学家将这些系统称为“奇怪的金属”。
准粒子在量子金属中的作用
“我们的工作深入研究了奇怪金属中的准粒子如何在这些量子临界点失去其特性，从而产生了违背传统理论的独特性质，”物理学和天文学教授、Harry C. 和 Olga K. Wiess 教授兼实验室主任 Si 说。莱斯的极端量子材料联盟。
准粒子代表电子像单个粒子一样的集体行为，在材料中的能量和信息传输中发挥着至关重要的作用。然而，在 QCP 中，这些准粒子在一种称为近藤破坏的现象中消失。在这里，材料中的磁矩停止了与电子的通常相互作用，从而极大地改变了金属的电子结构。
这种变化在费米面（材料内可能的电子态图）中很明显。当系统穿过 QCP 时，费米表面突然发生变化，从而显着改变材料的特性。
探索普遍行为
这项研究不仅限于重费米子金属（具有异常重电子的材料），还包括铜氧化物和某些有机化合物。所有这些奇怪的金属都表现出违背传统费米液体理论的行为，传统费米液体理论是一种用于描述大多数金属中电子运动的框架。相反，它们的特性与普朗克常数等基本常数一致，控制着能量和频率之间的量子关系。
对先进超导体的影响
研究人员发现了一种称为动态普朗克标度的条件，其中电子特性的温度依赖性反映了宇宙微波背景辐射和近似恒星行为的“黑体”辐射等普遍现象。这一发现强调了各种量子关键材料的共享组织模式，为创建先进超导体提供了见解。
新材料中的量子跃迁
研究意义扩展到其他量子材料，包括铁基超导体和具有复杂晶格结构的材料。 CePdAl 就是一个例子，这是一种化合物，两种竞争力量（近藤效应和 RKKY 相互作用）的相互作用决定了其电子行为。通过研究这些转变，科学家希望能够解码其他相关材料中的类似现象，这些材料中复杂的电子间关系占主导地位。
观察这些力如何塑造 QCP 处的材料可以帮助科学家更好地理解其他相关材料或具有复杂电子间关系的材料的转变。
参考文献：
胡浩宇、陈雷和斯奇苗，“量子临界金属和准粒子损失”，2024 年 12 月 9 日， 《自然·物理学》 。DOI：10.1038/s41567-024-02679-7
这项研究由莱斯大学物理与天文学系、极端量子材料联盟和斯莫利-柯尔研究所的胡浩宇和陈雷共同撰写，得到了美国国家科学基金会、空军科学研究办公室、罗伯特·韦尔奇基金会的支持、万尼瓦尔·布什教员奖学金和欧洲研究理事会。