奇怪的金属中出现奇怪的“安静”电流

诸平

麦克斯韦·安德鲁斯（Maxwell Andrews）和西尔克·布勒-帕申（Silke Bühler-Paschen）

据奥地利维也纳工业大学（Vienna University of Technology简称TU Wien, Vienna, Austria）2023年11月24日提供的消息，奇怪的金属中出现奇怪的“安静”电流（Strangely ’quiet’ current in strange metal）。

当电流流过“奇怪的金属（strange metal）”时会发生什么-维也纳工业大学（TU Wien）和美国德克萨斯州莱斯大学（Rice University, TX, USA）的研究结果表明：电子和“准电子”（ "quasi-electrons"）的既定图像崩溃了。

乍一看，这一切听起来都很简单：电缆中有电子，当我们施加电压时，电子从电缆的一侧冲向另一侧，从而产生电流。这张图并不完全错误，但也不正确。

事实上，电子不能在固体中自由移动。相反，许多不同粒子之间存在复杂的相互作用。这导致材料中的电荷传输具有一定的惯性——就好像材料中的电子具有更大的质量一样。

这可以通过数学方式来处理，不是用普通电子而是用“准电子”来描述流经材料的电流，“准电子”携带相同的电荷但具有更大的质量。然而，维也纳工业大学和德克萨斯州莱斯大学的新实验现在表明，在某些所谓的“奇怪金属”材料中，这种情况就不成立了。电流似乎既不是通过电子也不是通过准电子传输，而是作为连续体流动。研究结果于2023年11月23日已经在《科学》（Science）杂志网站发表——Liyang Chen, Dale T. Lowder, Emine Bakali, Aaron Maxwell Andrews, Werner Schrenk, Monika Waas, Robert Svagera, Gaku Eguchi, Lukas Prochaska, Yiming Wang, Chandan Setty, Shouvik Sur, Qimiao Si, Silke Paschen, Douglas Natelson. Shot noise in a strange metal. Science, 23 Nov 2023, 382（6673): 907-911. DOI: 10.1126/science.abq6100. https://www.science.org/doi/10.1126/science.abq6100

准粒子（Quasiparticles）

准粒子——例如本例中的准电子——不是通常意义上的粒子。它们不能从材料中提取并单独储存。它们是一个可以用来以相对简单的方式描述电荷在材料中运动的概念，即使发生复杂的相互作用也是如此。

本文的作者之一、来自维也纳工业大学固体物理研究所（Institute of Solid State Physics at TU Wien）的西尔克·布勒-帕申(Silke Bühler-Paschen)教授说：“即使你用准电子而不是电子来描述电流，基本思想仍然是一样的：电流以离散部分传输，所有部分都携带一个基本电荷并且可以单独检测。”

散粒噪声：电荷的量化性质（Shot noise: The quantized nature of the charge）

然而，该团队现在研究了一种由镱（Yb）、铑（Rh）和硅(Si)制成的非常特殊的材料（YbRh₂Si₂），它是“奇怪金属”类的著名代表。前几年，西尔克·布勒-帕申和她的团队多次证明这种材料表现出惊人的特性，例如电阻和温度之间极不寻常的关系。

这次，他们研究了电流如何流过这种金属的问题。这是通过在该研究的通讯作者道戈·奈特森（Doug Natelson）的美国莱斯大学实验室测量电流强度随时间的波动（称为散粒噪声）来完成的。

散粒噪声（Shot noise）在经典物理学中也有类似之处，例如，冰雹敲打铁皮屋顶的声音。这种噪音是由冰雹以冰雹的形式离散部分撞击屋顶引起的。如果相同量的降水作为连续体（例如完全均匀的水流）倾泻到屋顶上，则不会听到这种噪音。

这同样适用于电流：如果电流以离散部分的形式到达，就会产生某种类型的噪声。“散粒噪声只是由于电流的颗粒性质造成的。由于准电子具有与自由电子相同的离散电荷，即基本电荷，因此人们预计散粒噪声始终是相同的。即使在其中存在非常强的相互作用，并且准粒子的有效质量要高出几个数量级，”西尔克·布勒-帕申解释道。

事实上，该团队进行了理论研究来分析实验结果。“我们进行的计算使我们能够排除对 YbRh₂Si₂中测得的散粒噪声的任何准粒子描述，”该研究的主要理论合著者、西尔克·布勒-帕申研究奇怪金属的长期合作者、莱斯大学的司启妙（Qimiao Si音译）说。

低噪音 - 就好像电流不包含颗粒一样（Low noise - as if the current did not consist of particles）

为了使这种奇怪金属中的散粒噪声可以直接测量，首先必须生产纳米线。这是利用维也纳工业大学微纳米结构中心 (Center for Microand Nanostructures德语简称ZMNS) 的分子束外延系统和莱斯大学开发的纳米结构工艺（nanostructuring process）实现的。

结果令人惊讶：“散粒噪声极低”， 西尔克·布勒-帕申说道。“就好像电荷不是像通常的情况那样由离散的准电子传输，而是处于连续流动的边缘。”

理论家司启妙（莱斯大学）的模型已经预测了某些奇怪金属中类近藤准粒子（Kondo-like quasiparticles）的“分裂”（"breaking apart"），但是，测量到的散粒噪声的降低为YbRh₂Si₂中电子系统的内部工作提供了新思路。

电流的新图（A new picture for current flow）

西尔克·布勒-帕申说：“这种奇怪的金属所发生的情况与我们在其他材料中见过的任何情况都不同。我们想象这种材料中的粒子处于高度纠缠状态，在这种状态下，通常与其他材料配合良好的准粒子图像完全崩溃了。”

散粒噪声测量将有助于精确地阐明粒子在高度纠缠状态下如何移动。莱斯大学的道戈·奈特森说：“我们必须找到合适的词汇来讨论电荷如何在这种材料中集体移动。”

本研究得到了美国海军研究办公室（Office of Naval Research: ONR-VB N00014-23-1-2870）、美国能源部（U.S. Department of Energy: DE-FG02-06ER46337）、美国空军科学研究处（Air Force Office of Scientific Research: FA8665-22-1-7170）、欧洲研究理事会（European Research Council: Advanced Grant 101055088）、奥地利科学基金（Austrian Science Fund: I4047; FWF SFB F 86）、美国国家科学基金会(National Science Foundation: DMR-1704264; DMR-2220603)、欧盟地平线2020（European Union Horizon 2020: 824109-EMP）、奥地利研究促进机构(Austrian Research Promotion Agency: FFG 2156529; FFG 883941)以及罗伯特·韦尔奇基金会(Robert A. Welch Foundation: C-1411)的资助。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Physicists find evidence of exotic charge transport in quantum material

更多关于奇怪金属的信息，可以浏览A new look at strange metals

Editor’s summary

Charge current in solids is carried by discrete entities called quasiparticles that give rise to associated shot noise. For the peculiar phase called the strange metal, however, this quasiparticle scenario is expected to break down, leading to a reduction in shot noise. Chen et al. tested this prediction by measuring shot noise in nanowires made of the heavy fermion material YbRh₂Si₂ in the strange metal phase. In these samples, shot noise was indeed reduced compared with the values measured in a comparable gold nanowire and with the theoretical expectations for a system of quasiparticles. —Jelena Stajic

Abstract

Strange-metal behavior has been observed in materials ranging from high-temperature superconductors to heavy fermion metals. In conventional metals, current is carried by quasiparticles; although it has been suggested that quasiparticles are absent in strange metals, direct experimental evidence is lacking. We measured shot noise to probe the granularity of the current-carrying excitations in nanowires of the heavy fermion strange metal YbRh₂Si₂. When compared with conventional metals, shot noise in these nanowires is strongly suppressed. This suppression cannot be attributed to either electron-phonon or electron-electron interactions in a Fermi liquid, which suggests that the current is not carried by well-defined quasiparticles in the strange-metal regime that we probed. Our work sets the stage for similar studies of other strange metals.