奇怪的金属性和超导性。图片来源：自然物理学 （2024）。DOI： 10.1038/s41567-024-02679-7
莱斯大学物理学家司其淼的一项新研究揭示了量子临界金属的神秘行为，这些材料在低温下违背了传统物理学的要求。这项研究于 12 月 9 日发表在《自然物理学》杂志上，研究了量子临界点 （QCP），其中材料在两个不同相（如磁性和非磁性）之间的边缘摇摇欲坠。这些发现阐明了这些金属的特性，并提供了对高温超导体的更深入理解，高温超导体在相对较高的温度下无电阻地导电。
这项研究的关键是量子临界性，这是一种微妙的状态，材料对量子涨落（改变电子行为的微观干扰）变得非常敏感。普通金属遵循公认的原则，而量子临界金属则违背了这些规范，表现出长期以来一直困扰科学家的奇怪和集体特性。物理学家称这种系统为“奇怪的金属”。
“我们的工作深入研究了准粒子如何在这些量子临界点的奇异金属中失去其身份，这导致了挑战传统理论的独特特性，”Harry C. 和 Olga K. Wiess 物理学和天文学教授、莱斯极端量子材料联盟主任 Si 说。
准粒子代表了像单个粒子一样作用的电子的集体行为，在材料的能量和信息传递中起着至关重要的作用。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它们通常与电子的相互作用，极大地改变了金属的电子结构。
这种变化在费米表面中很明显，费米表面是材料内可能的电子状态图。当系统穿过 QCP 时，费米表面突然移动，显着改变了材料的特性。
近藤破坏量子临界和从大到小的费米表面变换。图片来源：自然物理学 （2024）。DOI： 10.1038/s41567-024-02679-7
跨材质的通用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），还包括氧化铜和某些有机化合物。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，费米液体理论是用来描述大多数金属中电子运动的框架。相反，它们的性质与基本常数（如普朗克常数）一致，普朗克常数控制着能量和频率之间的量子关系。
研究人员确定了一种称为动态普朗克缩放的条件，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，为创造先进超导体提供了见解。
更广泛的影响研究意义延伸到其他量子材料，包括铁基超导体和具有复杂晶格结构的材料。一个例子是 CePdAl，这是一种化合物，其中两种竞争力（近藤效应和 RKKY 相互作用）的相互作用决定了其电子行为。通过研究这些跃迁，科学家们希望解码其他相关材料中的类似现象，其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了解其他相关材料或具有复杂电子关系的材料中的转变。
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 Smalley-Curl 研究所的 Haoyu 胡 和 Lei Chen 合著。
更多信息：Haoyu 胡 等人，量子临界金属和准粒子的损失，自然物理学（2024 年）。DOI： 10.1038/s41567-024-02679-7
期刊信息： Nature Physics
