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量子物理学家破解了“奇异金属”的奥秘,这是

更新时间:2020-07-28 19:57点击:

即使按照量子物理学家的标准,奇怪的金属也很奇怪。这些材料与高温超导体有关,并与黑洞的特性有着惊人的联系。奇异金属中的电子在量子力学定律允许的范围内以最快的速度耗散能量,而且奇异金属的电阻率与普通金属的电阻率不同,它的电阻率与温度成正比。

对奇异金属的理论理解是凝聚态物理中最大的挑战之一。现在,利用尖端的计算技术,来自纽约市Flatiron研究所和康奈尔大学的研究人员已经解决了第一个可靠的奇异金属理论模型。研究人员在7月22日的《美国国家科学院院刊》(Proceedings of The National Academy of Sciences)上报告说,这项工作揭示了奇异金属是一种新的物质状态。

Flatiron研究所计算量子物理中心(CCQ)的高级研究科学家、该研究的合著者Olivier Parcollet说:“我们称它们为奇异金属的事实应该能告诉你我们对它们有多了解。”奇异金属具有与黑洞相同的非凡特性,为理论物理学开辟了令人兴奋的新方向。

除了Parcollet,研究团队还包括康奈尔大学博士生Peter Cha、CCQ数据助理科学家Nils Wentzell、CCQ主任Antoine Georges和康奈尔大学物理学教授Eun-Ah Kim。

在量子力学的世界里,电阻是电子撞击物体的副产品。当电子流经金属时,它们会与金属中的其他电子或杂质反弹。这些碰撞之间的时间越长,材料的电阻就越低。

对于典型的金属,电阻随温度增加,遵循一个复杂的方程。但在一些不寻常的情况下,比如当高温超导体被加热到它停止超导的点之上时,这个方程就会变得简单得多。在一种奇怪的金属中,电导率直接与温度和宇宙的两个基本常数有关:普朗克常数和波尔兹曼常数。因此,奇异金属也被称为普朗克金属。

奇异金属的模型已经存在了几十年,但是用现有的方法来精确地解决这些模型是不可能的。电子之间的量子纠缠意味着物理学家不能单独处理电子,而材料中粒子的数量使计算更加困难。

Cha和他的同事们采用了两种不同的方法来解决这个问题。首先,他们使用了基于乔治斯在90年代早期提出的想法的量子嵌入方法。通过这种方法,物理学家们不再对整个量子系统进行详细的计算,而只对少数原子进行详细的计算,并且对系统的其他部分进行更简单的处理。然后,他们使用量子蒙特卡洛算法(以地中海赌场命名),该算法使用随机抽样来计算问题的答案。研究人员将奇异金属的模型解到了绝对零度(零下273.15摄氏度),这是宇宙中无法达到的温度下限。

由此产生的理论模型揭示了奇异金属的存在,它们作为一种新的物质状态,与先前已知的两种物质相相邻:莫特绝缘自旋玻璃和费米液体。“我们发现在相空间中有一个完整的区域展示了普朗克行为,但它不属于我们正在转换的两个相,”Kim说。“这种量子自旋液体状态并不是完全锁定的,但也不是完全自由的。它是一种缓慢的、浓稠的、泥泞的状态。它是金属的,但不情愿是金属的,它把混沌的程度推到了量子力学的极限。”

这项新工作可以帮助物理学家更好地理解高温超导体的物理学。也许令人惊讶的是,这项工作与天体物理学有关。像奇怪的金属一样,黑洞表现出的特性只取决于温度和普朗克常数和波尔兹曼常数,比如一个黑洞在与另一个黑洞合并后“环”的时间。“从普朗克金属到黑洞,你在所有这些不同的系统中发现同样的尺度,这是令人着迷的,”Parcollet说。