比较“姐妹”化合物可能是量子难题的关键

多年来，物理学家一直试图解释发生在一大类超导材料中的量子现象：所谓的“奇怪金属”中的电子以受温度影响的方式以高速率散射。弄清楚为什么在某些非常规金属中会发生这种情况可能是许多量子材料难题的关键，包括高温超导性，物理学家长期以来一直在寻求更有效的电能传输方式。

在两篇新论文中，包括康奈尔物理学家在内的研究人员的国际合作在微观水平上解释了为什么这种“普朗克”散射发生在化合物PdCrO2中，而在其几乎相同的“姐妹”PdCoO2中却没有。

普朗克散射，即电子碰撞到材料缺陷并相互碰撞的速率，随温度线性增加。通过比较PdCrO2和PdCoO2 – 它们是非常干净的晶体，具有有据可查的特性 – 研究人员首次对强相互作用金属中神秘的“普朗克散射率”的起源进行了定量准确的描述。

“磁弹性散射的T线性电阻率：在PdCrO2中的应用”于8月28日发表在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上。

在许多奇怪的金属中，电子碰撞之间的特征时间，彼此之间以及与它们在路径中遇到的任何东西之间的特征时间是由普朗克常数和温度决定的，艺术与科学学院物理学助理教授Debanjan Chowdhury说。绝大多数已知的高温超导体在加热到其超导温度以上时，都会表现出这种特性。

这就是为什么一段时间以来人们一直认为，理解高温超导起源的线索在于理解这些材料之间的共同线索，导致这个普遍的普朗克时间尺度。

“这种联合理论和实验合作背后的动机是至少有一个材料示例，其中与电力传输相关的每个属性都准确已知，并为普朗克散射时间的起源建立一个微观理论，”乔杜里说。“据我所知，这是第一批非常规化合物之一，我们从材料的微观模型开始拥有传输的定量理论，这已经与实验非常一致。

Chowdhury说，由于将其应用于非常有效的能源使用具有很高的风险，凝聚态物理学需要付出巨大的努力来理解原因。“不幸的是，这些超导材料在理论上真的很难理解和建模，”他说。“因此，我们希望首先专注于一种更简单，干净，真正表征良好的材料，为这种现象建立理论。

选择的材料PdCrO2是一种磁性“delafossite”（一种氧化铬矿物），Chowdhury称之为具有两种电子的“有趣的相关材料”的典型例子：一组自由导电的移动电子，以及另一组显示磁性的不动电子。PdCrO2中的电子磁性是关键;在姊妹化合物PdCoO2中，除了没有磁性的迹象外，一切看起来都是一样的。在PdCrO2中，电传输是普朗克的，而在PdCoO2中则不是。

但磁性本身并不是解释普朗克时间尺度起源的全部。

“拼图的关键部分是一个意想不到的合作过程，电子与晶体的振动和局部自旋同时相互作用 – 磁性的基本组成部分，”物理学博士生Juan Felipe Mendez Valderrama说。“我们现在可以寻找新的候选材料，这种以前被忽视的相互作用起着主导作用，通过改变这些成分之一，我们可以驱动全新的现象。

魏茨曼科学研究所的Erez Berg，马克斯普朗克研究所的Elina Zhakina和圣安德鲁斯大学的Andrew P. MacKenzie是这项合作的共同作者。长期合作者乔杜里和伯格决定在 2022 年夏天联手，当时他们在参加阿斯彭物理中心的夏季研讨会时偶然发现他们对解决实验难题有同样的想法。

激发该理论的实验研究“高电导率氧化物中普朗克行为的研究：PdCrO2”也于8月28日在PNAS上发表，作者中包括上述所有内容。

“我们的研究已经确定了在delafossite材料中不可避免的，以前被忽视的电子散射源，”Chowdhury说。“虽然我们专注于特定材料，但其中许多考虑因素与许多其他可能更复杂的材料同样相关。我们希望新的理解将导致对更大类材料的基本见解，其中电传输显示神秘的普朗克时间尺度。

这项研究得到了美国国家科学基金会和马克斯普朗克学会的支持。

凯特·布莱克伍德是艺术与科学学院的作家。