Kvantkritiska punkter är tröskelvärden som markerar materialens övergång mellan olika elektroniska faser vid absoluta nolltemperaturer, kring vilka de ofta uppvisar exotiska fysikaliska egenskaper.
En av dessa kritiska punkter är den så kallade Kondo-breakdown quantum critical point, som markerar kollapsen av Kondo-effekten (dvs. ett kvantfenomen som innebär lokalisering av magnetiska moment i metaller), följt av ny framväxande fysik.
Forskare vid Ludwig-Maximilian University of Munich, Rutgers University och Seoul National University satte sig för att ytterligare studera den dynamiska skalning som är förknippad med den kritiska kvantpunkten för Kondo-breakdown, med hjälp av ett teoretiskt ramverk som beskriver tunga fermionmaterial och som kallas den periodiska Anderson-modellen.
I artikeln, som publiceras i Physical Review Letters, föreslås en ny mekanism som skulle kunna ligga till grund för några av de ovanliga egenskaperna hos det märkliga metalltillståndet i materien.
”Vårt ursprungliga incitament var att utforska kvantkriticitet hos tunga fermioner med moderna, avancerade beräkningsmetoder som kan lösa dynamik vid mycket lägre energier än vad som tidigare studerats”, säger Andreas Gleis, försteförfattare till artikeln, till Phys.org.
”Resultaten om konstigt metallbeteende i vår PRL-artikel som kom ut av den här studien var mer eller mindre en oväntad överraskning.”
I sin artikel presenterar Gleis och hans kollegor en ny teori som beskriver den ovanliga dynamiska respons som observerats i många tunga fermionmaterial i närheten av deras kvantkritiska punkter när de övergår till den främmande metallfasen. Med hjälp av beräkningsmetoder visar forskarna att vissa fluktuationer i dessa material avtar med en långsam planckiansk hastighet när de befinner sig i den kvantkritiska regionen som styrs av de kvantkritiska punkterna.
”Intressant nog finner vi att kritiska kollektiva kortdistansströmfluktuationer också styrs av denna långsamma planckska avklingningshastighet, vilket gör att vi kan beskriva de ovanliga optiska svar som finns i konstiga metaller som en inneboende egenskap hos det konstiga metalltillståndet”, förklarar Gleis.
”Hur dynamiken hos enstaka elektroner sönderfaller i materialet spelar däremot ingen större roll. Detta står i skarp kontrast till den utbredda hypotesen om en ”marginell Fermivätska”, där sönderfall av enstaka elektroner är kärnan i de optiska egenskaperna hos märkliga metaller.”
Forskarnas artikel tyder på att den kvantkritiska punkten för Kondo-nedbrytningen som de undersöker i sin studie är en intrinsikalt (dvs. störningsfri) fixpunkt för konstiga metaller. Framför allt är deras teoretiska förutsägelser i linje med mätningar av optisk konduktivitet som samlats in som en del av experiment som fokuserar på de tunga fermionföreningarna YbRh2Si2 och CeCoIn5.
Denna studie föreslår också en ny mekanism som kan understödja det inneboende konstiga metallbeteendet som rapporterats i olika tunga fermionmaterial. Denna mekanism, som ger upphov till de ovanliga optiska egenskaper som är utmärkande för konstiga metaller, har sin grund i kritisk kortdistansspridning (dvs. de starka och lokala elektron-elektron-interaktioner som observeras nära en kvantkritisk punkt).
”Inom en snar framtid planerar vi att utforska mekanismen och egenskaperna hos vår nyfunna märkliga metall mer i detalj”, tillägger Gleis.
”Vi vill veta under vilka exakta förhållanden sådana märkliga metaller uppstår, t.ex. vilken typ av växelverkan som krävs och i vilken parameterregim de kan förväntas, och om de också uppstår i andra starkt korrelerade system, t.ex. supraledare av koppartyp.
”Dessutom vill vi veta om och hur dynamiken i den främmande metallen påverkar fenomen som okonventionell supraledning.”
För mer information: Andreas Gleis et al, Dynamical Scaling and Planckian Dissipation Due to Heavy-Fermion Quantum Criticality, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/PhysRevLett.134.106501.
