23 ژوئیه 2020 توسط بنیاد سیمونز
نمودار نشانگر حالت های مختلف ماده به عنوان تابعی از دما ، T و قدرت تعامل ، U نرمال شده به دامنه ، تی ، الکترون ها که در حال جابجایی بین سایت ها هستند. فلزات عجیب و غریب در رژیم جدا می شوند که یک لیوان چرخش فلزی و یک مایع فرمی را جدا می کند.
طبق معیارهای فیزیکدانان کوانتومی ، فلزات عجیب و غریب فقط عجیب و غریب هستند. این مواد به ابررساناهای دمای بالا مربوط می شوند و شباهت های شگفت انگیز با خواص سیاه چاله ها دارند. الکترونهای موجود در فلزات عجیب و غریب انرژی را به همان سرعتی که مجاز به رعایت قوانین مکانیک کوانتومی هستند از بین می برند و مقاومت الکتریکی یک فلز عجیب و غریب برخلاف فلزات معمولی متناسب با دما است.
ایجاد درک نظری از فلزات عجیب و غریب یکی از بزرگترین چالش های فیزیک ماده است. اکنون ، با استفاده از تکنیک های محاسباتی ، محققان پژوهشگاه Flatiron در شهر نیویورک و دانشگاه کرنل اولین مدل نظری قوی از فلزات عجیب را حل کرده اند. محققان 22 ژوئیه در مجموعه مقالات آکادمی ملی علوم گزارش دادند که فلزات عجیب و غریب ماده جدیدی هستند.
الیویه پاركولت ، یك دانشمند ارشد تحقیقاتی در مرکز فیزیك كوانتومی محاسباتی (CCQ) ، می گوید: “اینكه ما آنها را فلزات عجیب می نامیم ، باید به شما بگوید كه چقدر آنها را درک می کنیم.” “فلزات عجیب و غریب خواص قابل توجه را با سیاهچاله ها به اشتراک می گذارند ، و مسیرهای جدید هیجان انگیز را برای فیزیک نظری گشوده می شوند.”
علاوه بر پارکلت ، تیم تحقیق شامل دانشجویان دکترای کرنل پیتر چا ، دانشمند داده های مرتبط CCQ ، نیلز ونتزل ، مدیر CCQ آنتوان ژورژ و استاد فیزیک کرنل Eun-Ah Kim بودند.
در دنیای مکانیک کوانتومی ، مقاومت الکتریکی محصول فرعی الکترونهایی است که در فضا قرار می گیرند. با عبور الکترون ها از فلز ، دیگر الکترون ها ناخالصی های موجود در فلز را زیاد می کنند. هرچه زمان بیشتری بین این برخورد وجود داشته باشد ، مقاومت الکتریکی مواد کمتر می شود.
برای فلزات معمولی ، به دنبال یک معادله پیچیده ، مقاومت الکتریکی با دما افزایش می یابد. اما در موارد غیرمعمول ، مانند وقتی که یک ابررسانا با دمای بالا دقیقاً بالای نقطه ای که ابررسانا است متوقف و گرم می شود ، معادله بسیار ساده تر می شود. در یک فلز عجیب ، هدایت الکتریکی مستقیماً با دما و دو ثابت اساسی جهان پیوند می خورد: ثابت پلانک و ثابت بولتزمن. در نتیجه ، فلزات عجیب و غریب نیز به عنوان فلزات پلانکی شناخته می شوند.
مدل های فلزات عجیب و غریب برای چندین دهه وجود داشته است ، اما حل دقیق چنین مدل هایی با روشهای موجود از دسترس خارج بوده است. درگیری کوانتومی بین الکترون ها بدین معنی است که فیزیکدانان نمی توانند الکترون ها را بطور جداگانه ردگیری کنند ، و تعداد زیاد ذرات موجود در یک ماده محاسبات را حتی ترسناک تر می کند.
چا و همکارانش برای حل مشکل از دو روش مختلف استفاده کردند. ابتدا آنها از روش جاسازی کوانتومی مبتنی بر ایده هایی که در اوایل دهه 90 توسط ژرژ تهیه شده استفاده کردند. با استفاده از این روش ، به جای انجام محاسبات دقیق در کل سیستم کوانتومی ، فیزیکدانان محاسبات مفصلی را تنها در چند اتم انجام می دهند و بقیه سیستم را ساده تر دنبال می کنند. آنها سپس از یک الگوریتم کوانتومی مونت کارلواستفاده کردند ، که برای محاسبه پاسخ یک مشکل ، از نمونه گیری تصادفی استفاده می کند. محققان مدل فلزات عجیب و غریب را تا صفر مطلق (منهای 273.15 درجه سانتیگراد) حل کردند ، که پایین ترین حد دست نیافتنی برای دما است.
مدل نظری حاصل ، وجود فلزات عجیب و غریب را به عنوان حالت جدید ماده در همسایگی با دو فاز ماده قبلاً شناخته شده نشان می دهد: شیشه های چرخش عایق کف و مایعات فرمی. کیم می گوید: “ما دریافتیم که یک منطقه کامل در فضای فاز وجود دارد که رفتار پلانکی را نشان می دهد که متعلق به هیچ یک از دو مرحله ای نیست که ما در حال گذر از آن هستیم.” “این حالت مایع کوانتومی چرخش چندان بسته نشده است ، اما همچنین کاملاً قابل دسترسی نیست. یک حالت ناب ، مثل سوپ ، سرسام آور است. این فلز است اما با از روی اکراه فلز است و باعث می شود درجه آشفتگی به حد مکانیک کوانتومی برسد. “
این کار جدید می تواند فیزیکدانان را در درک بهتر فیزیک ابررساناها با دمای بالاتر کمک کند. و شاید با کمال تعجب ، این اثر به اخترفیزیک پیوند دارد. مانند فلزات عجیب و غریب ، سیاه چاله ها دارای خصوصیاتی هستند که فقط به دما و ثابتهای پلانک و بولتزمن بستگی دارند ، مانند مقدار زمانی که یک سیاه چاله “بعد از ادغام با سیاهچاله دیگر” به شکل حلقه در می اید. پاركولت می گوید: “این واقعیت كه ما در این سیستم های مختلف ، از فلزات پلانكی گرفته گرفته تا سیاهچاله ها ، این مقیاس واحد را پیدا می كنیم ، جالب توجه است.” https://phys.org
