Čudni šumi

Kako šumijo kovine in kdaj so kovine čudne? Skupina ameriških in avstrijskih raziskovalk in raziskovalcev je predstavila eksperimentalni kriterij za čudnost kovin prek meritve šuma v električnem toku. Raziskava je trenutno opisana v še nerecenziranem prednatisu na spletnem odložišču arXiv.

Kovine so tisti materiali, ki dobro prevajajo električni tok. Tega prenaša obilica mobilnih elektronov, vsak izmed njih pa nosi osnovno enoto naboja. Če skozi tanko žico pošljemo zelo majhen tok, tako da naboj enega elektrona predstavlja znaten del celokupnega toka v določeni časovni enoti, lahko na merilniku opazimo skoke v toku. Tok bo tako denimo nekoliko večji v nanosekundi, v kateri na merilnik prispe več elektronov, in obratno. Take fluktuacije električnega toka običajno dobro opiše beli šum, torej so enake pri vseh frekvencah in sorazmerne s povprečnim tokom.

Razumevanje nihanja električnega toka kot posledice kvantiziranega naboja se zanaša na nedeljivost elektrona oziroma njegovo dolgoživost, kar je povzeto v konceptu kvazidelca oziroma standardni teoriji kovine. Ta predstava pa ni vedno upravičena, saj je temperaturna odvisnost upornosti mnogih materialov z omenjeno teorijo nezdružljiva. Čeprav ostajajo kovinski, je njihova kovinskost — čudna. Pod tem imenom tako poznamo enega največjih izzivov za sodobno fiziko kondenzirane snovi in sumi se, da nosilci naboja v teh materialih niso elektronski kvazidelci, ampak nekaj drugega.

V novi raziskavi so iz spojine itêrbija, ródija in silicija, ki se kot čudna kovina obnaša v magnetnem polju, izrezali tanko žico. Prav izdelava visokokvalitetnega vzorca je eden od glavnih dosežkov raziskave. Nato so izmerili električno upornost in šum v električnem toku, rezultate pa primerjali z meritvami v običajni kovinski zlati žički.

Električni šum v čudni kovini je bil v primerjavi z zlatom močno zadušen. Da to ni samo učinek povečanja efektivne mase elektronskih kvazidelcev, so podprli s teoretskim modelom, ki predvideva rahlo povečanje šuma na račun interakcij med elektroni. Prav tako so lahko ocenili, ali interakcija med elektroni in okoliško atomsko rešetko vpliva na šum, ter izključili njen vpliv na meritev, saj je bil ta vpliv premajhen.

Zadušitev elektronskega šuma torej napeljuje na sliko čudne kovinskosti, v kateri prevodni elektroni tvorijo gosto juho brez kvazidelcev. To sicer ni nova ideja, vseeno pa gre za prvo meritev elektronskega šuma, ki predstavlja novo komplementarno metodo za raziskovanje močno koreliranih materialov. Izziv za prihodnost bo predvsem doseganje temperatur, nižjih kot en kélvin oziroma eno stopinjo nad absolutno ničlo. Iz tehničnih razlogov je eksperiment za zdaj omejen na najmanj tri kélvine, čudne kovine pa posebno zanimive postanejo šele pri najnižjih dosegljivih temperaturah.

vir slike: https://deepai.org/machine-learning-model