Des physiciens découvrent des preuves de transport de charges exotiques dans un matériau quantique

Fidèle à son habitude, un matériau quantique « métal étrange » s’est révélé étrangement silencieux lors de récentes expériences sur le bruit quantique à l’Université Rice. Publié cette semaine dans Scienceles mesures des fluctuations de charge quantique connues sous le nom de « bruit de tir » fournissent la première preuve directe que l’électricité semble circuler à travers des métaux étranges sous une forme liquide inhabituelle qui ne peut pas être facilement expliquée en termes de paquets de charge quantifiés appelés quasiparticules.

“Le bruit est considérablement supprimé par rapport aux fils ordinaires”, a déclaré Doug Natelson de Rice, auteur correspondant de l’étude. “C’est peut-être la preuve que les quasiparticules ne sont pas des choses bien définies ou qu’elles ne sont tout simplement pas là et que les charges se déplacent de manière plus compliquée. Nous devons trouver le bon vocabulaire pour expliquer comment les charges peuvent se déplacer collectivement.”

Les expériences ont été réalisées sur des fils à l’échelle nanométrique d’un matériau critique quantique bien étudié avec un rapport précis 1-2-2 d’ytterbium, de rhodium et de silicium (YbRh₂Si₂). Le matériau contient un degré élevé d’intrication quantique qui produit un comportement dépendant de la température.

S’il est refroidi en dessous d’une température critique, par exemple, le matériau passe instantanément du non magnétique au magnétique. À des températures légèrement supérieures au seuil critique, YbRh₂Si₂ est un métal « fermion lourd », avec des quasi-particules porteuses de charges qui sont des centaines de fois plus massives que les électrons nus.

Dans les métaux, chaque quasiparticule, ou unité discrète, de charge est le produit de minuscules interactions incalculables entre d’innombrables électrons. Proposée pour la première fois il y a 67 ans, la quasiparticule est un concept utilisé par les physiciens pour représenter l’effet combiné de ces interactions sous la forme d’un objet quantique unique à des fins de calculs de mécanique quantique.

Certaines études théoriques antérieures ont suggéré que d’étranges porteurs de charges métalliques pourraient ne pas être des quasi-particules, et des expériences de bruit de tir ont permis à Natelson, à l’auteur principal de l’étude, Liyang Chen, un ancien étudiant du laboratoire de Natelson, et à plus d’une douzaine de co-auteurs de Rice et de l’Université technique. de Vienne (TU-Wien) pour rassembler les premières preuves empiriques directes pour tester l’idée.

“La mesure du bruit de tir est essentiellement un moyen de voir à quel point la charge est granulaire lorsqu’elle traverse quelque chose”, a déclaré Natelson, professeur de physique et d’astronomie, de génie électrique et informatique, de science des matériaux et de nano-ingénierie.

“L’idée est que si je conduis un courant, il se compose d’un groupe de porteurs de charge discrets. Ceux-ci arrivent à un rythme moyen, mais parfois ils sont plus proches les uns des autres dans le temps, et parfois ils sont plus éloignés.”

L’application de la technique à des cristaux fabriqués à partir d’un rapport 1-2-2 d’ytterbium, de rhodium et de silicium présentait des défis techniques importants. Par exemple, les films cristallins, qui ont été développés dans le laboratoire de Silke Paschen, co-auteur principal de l’Université de Vienne, devaient être presque parfaits. Et Chen a dû trouver un moyen de maintenir ce niveau de perfection tout en fabriquant des fils de cristal environ 5 000 fois plus étroits qu’un cheveu humain.

Qimiao Si, co-auteur de Rice, théoricien principal de l’étude et professeur de physique et d’astronomie Harry C. et Olga K. Wiess, a déclaré que lui, Natelson et Paschen avaient discuté pour la première fois de l’idée des expériences alors que Paschen était chercheur invité à Rice. en 2016. Si a déclaré que les résultats sont cohérents avec une théorie de la criticité quantique qu’il a publiée en 2001 et qu’il a continué à explorer dans le cadre d’une collaboration de près de deux décennies avec Paschen.

“Le faible bruit de tir a apporté de nouvelles connaissances sur la façon dont les porteurs de courant de charge s’entrelacent avec les autres agents de la criticité quantique qui sous-tend l’étrange métallicité”, a déclaré Si, dont le groupe a effectué des calculs excluant l’image des quasiparticules. “Dans cette théorie de la criticité quantique, les électrons sont poussés au bord de la localisation et les quasiparticules se perdent partout sur la surface de Fermi.”

Natelson a déclaré que la plus grande question est de savoir si un comportement similaire pourrait survenir dans l’un ou l’ensemble des dizaines d’autres composés présentant un comportement métallique étrange.

“Parfois, vous avez l’impression que la nature vous dit quelque chose”, a déclaré Natelson. “Cette “étrange métallicité” apparaît dans de nombreux systèmes physiques différents, malgré le fait que la physique microscopique sous-jacente est très différente. Dans les supraconducteurs à base d’oxyde de cuivre, par exemple, la physique microscopique est très, très différente de celle du système à fermions lourds. ”