Электронный волновой пакет (реальная часть показана синим цветом) движется через непрерывное внутреннее поле (потенциал деформации), созданное акустическими деформациями решетки, где электроны рассеиваются квазиупруго, что похоже на рассеяние на примесях, из-за тепловых колебаний решетки.
Фото: Кески-Рахконен и др.

Исследователи из Гарвардского университета, Университета Сабанчи и Пекинского университета недавно собрали данные, которые могут пролить свет на происхождение высокотемпературных пиков поглощения, наблюдаемых в странных металлах, классе материалов, демонстрирующих необычные электронные свойства, которые не соответствуют традиционной теории металлы.

Их статья , опубликованная в Physical Review Letters, в частности показывает, что динамический беспорядок решетки в странных металлах направляет их к недрудевскому физическому поведению, связанному с этими высокотемпературными пиками поглощения.

«Ключевой концепцией нашей последней работы является квантовая акустика — недавно разработанная концепция, параллельная квантовой оптике , — которая устанавливает зависящую от времени, непертурбативную трактовку электрон-фононного взаимодействия в реальном пространстве , подчеркивая волновую природу колебаний решетки и, следовательно, позволяя нам предстоит исследовать неизведанные территории динамики электронной решетки», — рассказал Phys.org Йоонас Кески-Рахконен, соавтор статьи.

«Наша общая цель заключалась в том, чтобы продемонстрировать силу этого нового подхода, который в принципе всегда был доступен, но никогда раньше не использовался полностью».

Ключевой целью недавней работы Кески-Рахконена и его коллег было исследование так называемого смещения пика Друде. Это сдвиг максимума оптической проводимости в сторону более высоких частот при повышении температуры, который наблюдался в различных материалах, считающихся странными металлами.

Исследователи также намеревались продемонстрировать, как в этих материалах формируется смещение пика Друде. В частности, они предположили, что это результат взаимодействия электронов с флуктуирующими степенями свободы решетки.

«Отправной точкой для нас является стандартная модель Фрелиха, которая широко используется для описания динамики электронной решетки», — объяснил Кески-Рахконен. «Однако мы выражаем это в рамках картины когерентного состояния, которая является двойным партнером традиционного описания числового состояния, но вдохновляет на совершенно разные приближения. Проще говоря, мы рассматриваем колебания решетки как волны, а не как отдельные фононы».

На левой панели показано появление смещенного пика Друде в оптической проводимости: повышение температуры приводит к недрудевскому поведению оптической проводимости. Вместо пика вблизи нулевой частоты (пик Друде) оптическая проводимость имеет максимум на более высоких частотах (смещенный пик Друде). Такое поведение объясняется появлением преходящей локализации. На правой панели представлена (мгновенная) локализованная волновая функция Андерсона (сине-желтые цвета, представляющие значение действительной части, иллюстрирующая локальную длину волны состояния), находящаяся в пределах потенциала деформации (оттенки серого с белыми контурными линиями).
Фото: Кески-Рахконен и др.

Квантово-акустическая концепция, использованная исследователями, привела их к описанию взаимодействия между электронами и решеткой материала как изменяющегося и распространяющегося ландшафта «холмов» и «долин», называемого «потенциалом деформации». Они предположили, что электроны бродят и рассеиваются в этом быстро меняющемся ландшафте.

Впоследствии Кески-Рахконен и его коллеги численно рассчитали соответствующую оптическую проводимость для трех прототипов странных металлов в широком диапазоне температур. Они сделали это, используя общую формулу Кубо — теоретическую конструкцию, используемую для расчета линейных функций отклика в квантовых и классических физических системах.

«Настоящая работа посвящена конкретному вопросу о том, могут ли экспериментально наблюдаемые смещенные пики Друде (DDP) вообще возникать, даже в принципе, из-за колебаний решетки, которые обычно отбрасываются как возможный механизм странных металлических загадок», — говорит Кески- - сказал Рахконен.

«Эта работа показывает, что ответ однозначный: да, поскольку без какой-либо точной настройки, захвата повышения или подгонки параметров мы представили явление квантово-акустического смещения пика Друде, которое включает в себя температурно-зависимый сдвиг и уширение пика Друде. Пик оптической проводимости достигает конечных частот, что количественно согласуется с экспериментальными данными».

Недавнее исследование Кески-Рахконена и его сотрудников может стать важным шагом на пути к лучшему пониманию странных металлов и их уникальной физики. Кроме того, их результаты предполагают, что в основе DDP может лежать переходный процесс локализации, а именно тонкий подъем и спад андерсоновской локализации электронов, вызванный полем динамического беспорядка и тепловыми колебаниями решетки.

«Мы рассматриваем это как одну из первых вех на пути квантовой акустики», — добавил Кески-Рахконен. «Естественный следующий вопрос: какие еще странные металлические загадки мы можем разгадать с помощью этого нового блестящего инструмента, который у нас есть?

«Вне среды странных металлов мы уже показали, как в рамках квантовой акустики возникает теория переноса «обычных металлов».

«Еще одним интересным направлением будущих исследований могло бы стать изучение квантовой акустики в контексте полупроводников, например, для изучения рождения и эволюции поляронов с помощью наших инструментов».