研究揭示了奇怪金属中的量子声学德鲁德峰移

电子波包（蓝色显示的实部）穿过由声晶格变形产生的连续内场（变形势），其中电子由于晶格的热振动而准弹性散射，类似于杂质散射。图片来源：Keski-Rahkonen等人

哈佛大学、萨班奇大学和北京大学的研究人员最近收集了一些发现，这些发现可以揭示在奇怪金属中观察到的高温吸收峰的起源，这是一类表现出不寻常的电子特性的材料，不符合传统的金属理论。

他们的论文发表在《物理评论快报》（PhysicalReviewLetters）上，特别表明，奇怪金属中的动态晶格无序引导它们走向与这些高温吸收峰相关的非德鲁德物理行为。

“我们最新工作背后的一个关键概念是量子声学-一个最近开发的与量子光学平行的框架-它建立了真实空间中电子-声子相互作用的时间依赖性，非扰动处理，强调晶格振动的波动性质，从而使我们能够探索电子-晶格动力学的未知领域，”该论文的合著者JoonasKeski-Rahkonen说，告诉Phys.org。

“我们的总体目标是展示这种新方法的力量，这种方法原则上一直可用，但以前从未被充分采用过。”

Keski-Rahkonen及其同事最近工作的主要目标是研究所谓的德鲁德峰位移。这是随着温度的升高，光学电导率最大值向更高频率的转变，这在各种被认为是奇怪金属的材料中都有报道。

研究人员还着手演示Drude峰位移是如何在这些材料中形成的。具体来说，他们假设它是由电子与波动的晶格自由度相互作用的结果。

“我们的起点是标准的Fröhlich模型，该模型被广泛用于描述电子-晶格动力学，”Keski-Rahkonen解释说。“然而，我们在相干状态图中表达它，这是传统数态描述的双重伙伴，但激发了非常不同的近似值。简单来说，我们将晶格振动视为波，而不是单个声子。

左图显示了光学电导率中位移的德鲁德峰的开始：温度的升高将光学电导率推向非德鲁德行为。光学电导率不是在零频率附近达到峰值（德鲁德峰），而是在较高频率下表现出最大值（位移德鲁德峰）。这种行为可以通过瞬态定位的出现来解释。右图显示了一个（瞬时）安德森局域波函数（蓝黄色表示实部的值，说明状态的局部波长），生活在变形势内（带有白色等值线的灰度）。图片来源：Keski-Rahkonen等人

研究人员采用的量子声学框架使他们将电子和材料晶格之间的相互作用描述为“丘陵”和“山谷”的变形和传播景观，称为“变形势”。他们提出，电子在这种快速变化的景观中漫游和散射。

随后，Keski-Rahkonen和他的同事们对三种原型奇怪金属在很宽的温度范围内进行了相应的光学电导率的数值计算。他们使用通用的Kubo公式来做到这一点，Kubo公式是一种用于计算量子和经典物理系统中线性响应函数的理论结构。

“目前的工作解决了一个具体问题，即实验观察到的位移德鲁德峰（DDP）是否可能产生，即使作为一个原则问题，也来自晶格振动，这通常被丢弃为奇怪金属之谜的可能机制，”Keski-Rahkonen说。

“这项工作表明，答案是肯定的，因为在没有任何微调、升压捕获或拟合参数的情况下，我们引入了量子声学德鲁德峰位移现象，这涉及温度依赖性位移和光电导率峰值向有限频率的展宽，在数量上与实验证据一致。”

Keski-Rahkonen和他的合作者最近的研究可能是朝着更好地理解奇怪金属及其独特物理学迈出的重要一步。此外，他们的研究结果表明，瞬态局域化过程可能是DDP的基础，特别是由热晶格振动引起的动力无序场引起的电子安德森局域的微妙上升和下降。

“我们认为这是量子声学道路上的第一个里程碑之一，”Keski-Rahkonen补充道。“一个自然的后续问题是，研究揭示了奇怪金属中的量子声学德鲁德峰移我们可以用我们拥有的这个新的闪亮工具解开哪些其他奇怪的金属奥秘。

“在奇怪金属的环境之外，我们已经展示了'普通金属'的输运理论是如何在量子声学的框架内产生的。

“未来研究的另一个有趣的途径是在半导体的背景下研究量子声学，例如，用我们的工具研究极化子的诞生和演化。

更多信息：JoonasKeski-Rahkonen等人，量子声学德鲁德峰移，物理评论快报（2024）。DOI：10.1103/PhysRevLett.132.186303.在arXiv上：DOI：10.48550/arxiv.2310.19143

期刊信息：PhysicalReviewLetters，arXiv