研究人员对奇怪金属的神秘领域有了新的见解

所谓的“奇怪金属”的行为长期以来一直困扰着科学家们，但多伦多大学的一组研究人员可能离理解这些材料更近了一步。

电子是离散的亚原子粒子，它们像流过管道的水分子一样流过电线。这种流动被称为电力，它被用来为从灯泡到大型强子对撞机的一切提供动力和控制。

相比之下，在量子物质中，电子的行为不像在正常材料中那样。它们要强得多，电子的四个基本特性 - 电荷，自旋，轨道和晶格 - 交织在一起，导致物质的复杂状态。

“在量子物质中，电子摆脱了它们的粒子状特征并表现出奇怪的集体行为，”凝聚态物理学家Arun Paramekanti说，他是多伦多大学艺术与科学学院物理系的教授。“这些材料被称为非费米液体，其中简单的规则被打破了。

现在，来自该大学物理系和量子信息与量子控制中心(CQIQC)的三名研究人员开发了一个理论模型，描述了非费米液体中亚原子粒子之间的相互作用。该框架扩展了现有模型，将帮助研究人员了解这些“奇怪金属”的行为。

他们的研究发表在《美国国家科学院院刊》(PNAS)上。主要作者是物理学博士生Andrew Hardy，合著者Paramekanti和博士后研究员Arijit Haldar。

“我们知道，像血液这样的复杂液体通过动脉的流动比水通过管道更难理解，”Paramekanti说。“同样，非费米液体中的电子流动比简单金属中的电子流动更难研究。

哈代补充说：“我们所做的是构建一个模型，一个工具来研究非费米液体的行为。具体来说，处理当对称性破裂时会发生什么，当相变到一种新型系统时。

“对称性破坏”是用来描述在所有自然界中发现的基本过程的术语。当一个系统——无论是一滴水还是整个宇宙——失去对称性和均匀性并变得更加复杂时，对称性就会被打破。

例如，一滴水滴无论其方向如何都是对称的——向任何方向旋转它，它看起来都是一样的。但是当它经历相变并冻结成冰晶时，它的对称性就会被打破。作为一片雪花，它仍然是对称的，但只是在六个不同的方向上。

同样的事情发生在大爆炸之后的所有亚原子粒子和力上。随着宇宙的爆炸性诞生，所有的粒子和所有的力都是一样的，但对称性的破坏立即将它们转化为我们今天在宇宙中看到的流形粒子和力。

“非费米液体中的对称性破坏研究起来要复杂得多，因为没有一个全面的框架来处理非费米液体，”哈代说。“描述这种对称性破坏是如何发生的很难做到的。

在非费米液体中，当粒子处于对称性破坏的边缘时，电子之间的相互作用会变得更强。就像一个球在山顶上一样，一个非常轻柔的轻推会把它送到相反的方向。

这项新研究提供了对非费米液体中这些转变的见解，并可能导致调整和控制量子材料性质的新方法。虽然对物理学家来说仍然是一个严峻的挑战，但这项工作对于可能塑造下一代量子技术的新量子材料非常重要。

这些技术包括高温超导体，可在更接近室温的温度下实现零电阻，使其更加实用和有用。还有石墨烯器件 - 基于一个原子厚的碳原子层的技术，具有无数的电子应用。

“量子材料表现出不寻常的电子流和复杂类型的对称性破坏，可以控制和调整，”哈代说。“能够对此类系统进行理论预测，这些预测可以在实验室的新实验中进行测试，这对我们来说是令人兴奋的。

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