金属之谜：量子噪声实验中“奇怪金属”的令人费解的沉默

　　莱斯大学对“奇怪金属”量子材料的开创性研究揭示了非常规的电流，挑战了传统的准粒子理论。这一发现是通过详细的弹射噪声实验得出的，它提出了对奇怪金属中电荷运动的全新理解，并暗示了量子材料中更广泛、更普遍的现象。

　　莱斯大学物理学家在量子材料中发现了奇异电荷输运的证据。

　　正如往常一样，在莱斯大学最近的量子噪声实验中，一种“奇怪的金属”量子材料被证明异常安静。11月23日发表在《科学》(Science)杂志上的对量子电荷波动的测量结果被称为“散粒噪声”，它提供了第一个直接证据，证明电似乎以一种不寻常的液体形式流过奇怪的金属，这种液体形式无法用被称为准粒子的量子化电荷包来解释。

　　该研究的通讯作者、莱斯大学的道格拉斯·纳泰尔森说:“与普通电线相比，这种噪音被大大抑制了。”“也许这是准粒子不是定义明确的东西的证据，或者它们只是不存在，电荷以更复杂的方式移动。我们必须找到合适的词汇来谈论电荷如何集体运动。”

　　长YbRh2Si2线的扫描电镜图像。资料来源:陈立阳/纳特尔森研究小组/赖斯大学

　　量子临界材料实验

　　实验是在一种量子临界材料的纳米线上进行的，该材料的钇、铑和硅(YbRh2Si2)的精确比例为1:2 -2，在过去的20年里，维也纳理工大学(TU Wien)的固态物理学家Silke Paschen对该材料进行了深入的研究。这种材料含有高度的量子纠缠，产生一种非常不寻常的(“奇怪的”)温度依赖行为，这与银或金等普通金属的行为非常不同。

　　在这种普通金属中，每一个准粒子或电荷的离散单位都是无数电子之间不可计算的微小相互作用的产物。准粒子最早是在67年前提出的，物理学家用这个概念来表示这些相互作用的综合效应，作为量子力学计算的单个量子物体。

　　莱斯大学物理学家Doug Natelson说。图片来源:Jeff Fitlow/Rice University

　　理论与实证

　　先前的一些理论研究表明，一种奇怪金属中的电荷可能不是由这种准粒子携带的，而射噪声实验使纳泰尔森、该研究的主要作者、纳泰尔森实验室的前学生陈立阳以及赖斯大学和维也纳理工大学的其他合著者能够收集到第一个直接的经验证据来验证这一想法。

　　纳特尔森说:“射击噪声测量基本上是一种观察电荷穿过物体时颗粒大小的方法。”“这个想法是，如果我驱动一个电流，它由一堆离散的电荷载流子组成。它们以平均速度到达，但有时它们碰巧在时间上靠得更近，有时它们相隔更远。”

　　物理学家Liyang Chen(左)和Doug Natelson。来源:D. Natelson/Rice University

　　技术挑战与突破

　　将该技术应用于YbRh2Si2晶体提出了重大的技术挑战。散粒噪声实验不能在单个宏观晶体上进行，而是需要纳米尺度的样品。因此，必须实现极薄但完美的晶体薄膜的生长，这是Paschen, Maxwell Andrews和他们在维也纳工业大学的合作者经过近十年的艰苦工作才做到的。接下来，陈必须找到一种方法来保持这种完美水平，同时用这些比人类头发窄5000倍的薄膜来制作电线。