量子物理学家揭开了“奇异金属”的神秘面纱，这是一种新的物质状态

即使按照量子物理学家的标准，奇怪的金属也是非常奇特的。这些材料与高温超导体有关，与黑洞的性质有着惊人的联系。根据量子力学定律，奇特金属中的电子能以尽可能快的速度消散，而与普通金属不同的是，奇特金属的电阻率与温度成正比。从理论上理解奇异金属是凝聚态物理学中最大的挑战之一。现在，来自纽约市熨斗研究所和康奈尔大学的研究人员利用尖端的计算技术，解决了第一个强大的奇异金属理论模型。研究人员在7月22日的“美国国家科学院院刊”上报道，这项工作揭示了奇怪的金属是一种新的物质状态。

这项研究的合著者、熨斗研究所(Flatiron Institute)计算量子物理中心(CCQ)的高级研究科学家奥利维尔·帕科莱特(Olivier Parcollet)表示，我们称它们为奇怪金属的事实应该能告诉你我们对它们的理解有多深。奇异金属与黑洞有着共同的显著性质，为理论物理开辟了令人振奋的新方向。

除了帕科莱特，研究小组还包括康奈尔大学博士生Peter Cha，CCQ副数据科学家Nils Wentzell，CCQ主任Antoine Georges和康奈尔大学物理学教授Eun-ah Kim。

在量子力学世界里，电阻是电子撞击物体的副产品。当电子流经金属时，它们会被金属中的其他电子或杂质反弹。这些碰撞之间的时间越长，材料的电阻就越低。

对于典型的金属，电阻随温度增加，遵循复杂的方程式。但在不寻常的情况下，例如当高温超导体被加热到刚好高于它停止超导的点时，这个方程就变得简单得多。奇怪的是，电导率与温度和宇宙的两个基本常数直接相关：普朗克常数和波尔兹曼常数。因此，奇怪的金属也被称为普朗克金属。

奇怪金属的模型已经存在了几十年，但事实证明，用现有的方法无法精确求解这样的模型。电子之间的量子纠缠意味着物理学家不能单独对待电子，而材料中粒子的绝对数量使计算变得更加令人望而生畏。

查和他的同事们采用了两种不同的方法来解决这个问题。首先，他们使用了一种基于乔治在90年代早期提出的想法的量子嵌入方法。使用这种方法，物理学家只对少数几个原子进行详细计算，而不是在整个量子系统中进行详细计算，而对系统的其余部分进行更简单的处理。然后，他们使用了量子蒙特卡罗算法(以地中海赌场命名)，该算法使用随机抽样来计算问题的答案。研究人员解决了奇异金属的模型，将其降低到绝对零度(零下273.15摄氏度)，这是宇宙中温度无法达到的下限。

由此产生的理论模型揭示了奇怪金属的存在，它是一种新的物质状态，与两种先前已知的物质相接壤：莫特绝缘自旋玻璃和费米液体。金姆表示：我们发现，在相空间中，有一整块区域正在表现出普朗克式的行为，而这两个阶段都不属于我们需要重新转换的两个阶段。这种量子自旋液态并没有被完全锁定，但它也不是完全自由的。这是一个缓慢、泥泞、泥泞的州。它是金属的，但不情愿是金属的，它把混乱的程度推到了量子力学的极限。

这项新工作可以帮助物理学家更好地理解高温超导体的物理。也许令人惊讶的是，这项工作与天体物理学有关。就像黑洞一样，黑洞的性质只取决于温度以及普朗克常数和玻尔兹曼常数，比如一个黑洞与另一个黑洞合并后的环状时间。帕科莱说，从普朗克金属到黑洞，你在所有这些不同的系统中都发现了同样的比例，这一事实令人着迷。更多信息：Peter Cha等人，线性电阻率和Sachdev-Ye-Kitaev(SYK)在具有自旋1/2费米子的量子临界金属中的自旋液体行为，美国国家科学院学报(2020)。Doi：10.1073/pnas.2003179117