研究人员对奇异金属的神秘领域有了新的认识

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

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，它被用来驱动和控制从灯泡到大型强子对撞机的一切事物。

相比之下，在量子物质中，电子的行为不像在普通材料中那样。它们更强大，电子的四个基本属性——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特性并表现出奇怪的集体行为，”凝聚态物理学家、多伦多大学艺术与科学学院物理系教授阿伦·帕拉梅坎蒂(ArunParamekanti)说。“这些材料被称为非费米液体，其中打破了简单的规则。”

现在，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。

他们的研究发表在国家科学院院刊(PNAS)上。第一作者是物理学博士。学生AndrewHardy与合著者Paramekanti和博士后研究员ArijitHaldar。

“我们知道，血液等复杂流体在动脉中的流动比水在管道中的流动更难理解，”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。”

Hardy补充道，“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，处理当对称性破缺，相变到一种新型液体时会发生什么。系统。”

“对称破缺”是用来描述自然界中发现的一个基本过程的术语。当一个系统——无论是一滴水还是整个宇宙——失去对称性和同质性并变得更加复杂时，对称性就会破灭。

例如，一滴水无论朝向如何都是对称的——向任何方向旋转它看起来都一样。但是当它经历相变并冻结成冰晶时，它的对称性就被打破了。作为雪花，它仍然是对称的，但只有六个不同的方向。

大爆炸之后的所有亚原子粒子和力都发生了同样的事情。随着宇宙的爆炸性诞生，所有粒子和所有力都是相同的，但对称破缺立即将它们转变为我们今天在宇宙中看到的多种粒子和力。

“非费米液体的对称性破缺研究起来要复杂得多，因为没有一个综合框架来处理非费米液体，”Hardy说。“很难描述这种对称性破缺是如何发生的。”

在非费米液体中，当粒子处于对称性破缺的边缘时，电子之间的相互作用会变得更强。就像一个球停在山顶上一样，轻轻地向一个方向或另一个方向轻轻一推，就会把它推向相反的方向。

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

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，从而使它们更加实用和有用。还有石墨烯设备——基于单原子厚碳原子层的技术，具有无数的电子应用。

“量子材料表现出不寻常的电子流动和复杂类型的对称性破坏，这些都是可以控制和调整的，”Hardy说。“能够对可以在实验室的新实验中测试的此类系统进行理论预测，这让我们感到兴奋。”