哈佛大學(xué)科學(xué)家新提出了一種新的普朗基金屬理論，該理論可能會(huì)揭示量子物理之前未知的方面。在發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上的研究論文中，報(bào)告了費(fèi)米子的晶格模型，該模型描述了低溫下的普朗克金屬。

金屬含有大量的電子，當(dāng)物理學(xué)家考慮金屬的電阻時(shí)，通常認(rèn)為它是由于電子散射出雜質(zhì)或金屬中的晶格，而導(dǎo)致電流攜帶的電子流動(dòng)中斷或退化時(shí)產(chǎn)生，這是由保羅·德魯?shù)略?900年提出的模型。

德魯?shù)履Ｐ徒o出了一個(gè)電阻方程，即電子在連續(xù)碰撞之間自由移動(dòng)所花費(fèi)的時(shí)間。碰撞之間的這個(gè)時(shí)間間隔長(zhǎng)度，被稱為‘弛豫時(shí)間’或‘電子壽命’，在大多數(shù)普通金屬中通常足夠長(zhǎng)，使得電子在微觀觀察者看來可以被定義為不同的可移動(dòng)物體，而德魯?shù)履Ｐ鸵补ぷ鞯梅浅：?。盡管德魯?shù)绿岢龅睦碚撘驯话l(fā)現(xiàn)適用于幾種金屬，但也有其他金屬表現(xiàn)出不同的行為。最明顯的是當(dāng)高溫超導(dǎo)體被加熱到高于其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度或當(dāng)施加磁場(chǎng)抑制超導(dǎo)時(shí)產(chǎn)生的那些金屬。

在這些非常規(guī)金屬中，表觀弛豫時(shí)間非常短，具體為普朗克常數(shù)除以玻爾茲曼常數(shù)乘以溫度(即?/(Kbt)。這種現(xiàn)象被稱為Planckian耗散，因此這些金屬被稱為Planckian金屬。在這些金屬中觀察到的短電子壽命表明，單個(gè)電子不能再被視為定義良好的對(duì)象，這使得描述它們?cè)跀?shù)學(xué)上更具挑戰(zhàn)性。真正令人驚訝的是，在各種電子-電子相互作用強(qiáng)度不同的材料中，電子壽命的數(shù)值似乎非常接近?/(Kbt)。這意味著有一種普遍的理論，描述了所有這些‘奇怪的金屬’。

意識(shí)到文獻(xiàn)中的這個(gè)空白，哈佛科學(xué)開始著手開發(fā)一種數(shù)學(xué)上精確的量子力學(xué)來描述這些奇怪金屬。研究背后的關(guān)鍵假設(shè)是，電子之間的相互作用不會(huì)保持動(dòng)量，而這通常發(fā)生在一個(gè)具有微觀不規(guī)則的系統(tǒng)中，稱為無序。過去的研究發(fā)現(xiàn)，所有顯示這種“奇怪金屬”的材料都呈現(xiàn)出大量無序。在研究中分別考慮了保存能量的電子之間相互作用和不保存能量電子之間的相互作用。能量不守恒的相互作用‘重整’電子(即它們改變了質(zhì)量)。

而能量守恒(或‘共振’)相互作用，精確計(jì)算其影響，當(dāng)科學(xué)家試圖用德魯?shù)鹿奖硎倦娮钑r(shí)，其電子壽命幾乎精確為?/(Kbt)。此外，根據(jù)實(shí)驗(yàn)觀察，發(fā)現(xiàn)這個(gè)壽命與電子-電子相互作用的確切強(qiáng)度無關(guān)。除了為Planckian耗散提供數(shù)學(xué)上精確且可解的模型外，新理論在電子光譜函數(shù)中概述了一個(gè)獨(dú)特簽名，這是一個(gè)測(cè)量特定能量下可用單電子量子態(tài)數(shù)量的數(shù)學(xué)量。有趣的是，這種特征可以在光電子發(fā)射實(shí)驗(yàn)中測(cè)量。負(fù)責(zé)攜帶電流的電子速度大大減慢到與系統(tǒng)溫度成正比的量。

通過觀察電子光譜函數(shù)中峰的色散，這在實(shí)驗(yàn)上應(yīng)該是可見的。新理論另一個(gè)有趣的方面是，其中呈現(xiàn)的量子力學(xué)波函數(shù)與黑洞物理Sachdev-Ye-Kitaev模型的量子力學(xué)波函數(shù)密切相關(guān)。如果這個(gè)是有效的，還會(huì)暗示黑洞和奇怪金屬之間存在著深刻的物理聯(lián)系。與Sachdev-Ye-Kitaev模型的聯(lián)系突出了多粒子量子糾纏的重要性。量子糾纏有時(shí)被稱為‘遠(yuǎn)距離的幽靈行為’，量子糾纏可能是量子理論最新穎的特征：創(chuàng)造狀態(tài)的能力，在這種狀態(tài)下，對(duì)一個(gè)粒子的觀察可以影響所有其他粒子的狀態(tài)，甚至是那些非常遙遠(yuǎn)的粒子。

研究表明，Sachdev-Ye-Kitaev模型產(chǎn)生的量子糾纏與奇怪金屬和黑洞密切相關(guān)。未來，該理論模型可能會(huì)對(duì)物理學(xué)領(lǐng)域產(chǎn)生重要影響。事實(shí)上，除了提供一種理論可以揭示普朗克金屬的行為之外，還指出了這些“不尋常”金屬和黑洞之間可能存在的聯(lián)系。研究人員希望研究最終將回答一些與黑洞量子理論相關(guān)的基本問題，包括霍金的信息悖論。還有其他量子力學(xué)材料是電絕緣體，但在其熱導(dǎo)率中顯示出類似于金屬普朗克耗散的現(xiàn)象。

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參考期刊《物理評(píng)論快報(bào)》

DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.066601

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