哈佛新理论：把普朗克金属和黑洞联系起来

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哈佛大学科学家新提出了一种新的普朗基金属理论，该理论可能会揭示量子物理之前未知的方面。在发表在《物理评论快报》上的研究论文中，报告了费米子的晶格模型，该模型描述了低温下的普朗克金属。金属含有大量的电子，当物理学家考虑金属的电阻时，通常认为它是由于电子散射出杂质或金属中的晶格，而导致电流携带的电子流动中断或退化时产生，这是由保罗·德鲁德在1900年提出的模型。

德鲁德模型给出了一个电阻方程，即电子在连续碰撞之间自由移动所花费的时间。碰撞之间的这个时间间隔长度，被称为‘弛豫时间’或‘电子寿命’，在大多数普通金属中通常足够长，使得电子在微观观察者看来可以被定义为不同的可移动物体，而德鲁德模型也工作得非常好。



尽管德鲁德提出的理论已被发现适用于几种金属，但也有其他金属表现出不同的行为。最明显的是当高温超导体被加热到高于其超导转变温度或当施加磁场抑制超导时产生的那些金属。

在这些非常规金属中，表观弛豫时间非常短，具体为普朗克常数除以玻尔兹曼常数乘以温度(即?/(Kbt)。这种现象被称为Planckian耗散，因此这些金属被称为Planckian金属。在这些金属中观察到的短电子寿命表明，单个电子不能再被视为定义良好的对象，这使得描述它们在数学上更具挑战性。真正令人惊讶的是，在各种电子-电子相互作用强度不同的材料中，电子寿命的数值似乎非常接近?/(Kbt)。这意味着有一种普遍的理论，描述了所有这些‘奇怪的金属’。

意识到文献中的这个空白，哈佛科学开始着手开发一种数学上精确的量子力学来描述这些奇怪金属。研究背后的关键假设是，电子之间的相互作用不会保持动量，而这通常发生在一个具有微观不规则的系统中，称为无序。过去的研究发现，所有显示这种“奇怪金属”的材料都呈现出大量无序。在研究中分别考虑了保存能量的电子之间相互作用和不保存能量电子之间的相互作用。能量不守恒的相互作用‘重整’电子(即它们改变了质量)。

而能量守恒(或‘共振’)相互作用，精确计算其影响，当科学家试图用德鲁德公式表示电阻时，其电子寿命几乎精确为?/(Kbt)。此外，根据实验观察，发现这个寿命与电子-电子相互作用的确切强度无关。除了为Planckian耗散提供数学上精确且可解的模型外，新理论在电子光谱函数中概述了一个独特签名，这是一个测量特定能量下可用单电子量子态数量的数学量。有趣的是，这种特征可以在光电子发射实验中测量。负责携带电流的电子速度大大减慢到与系统温度成正比的量。

通过观察电子光谱函数中峰的色散，这在实验上应该是可见的。新理论另一个有趣的方面是，其中呈现的量子力学波函数与黑洞物理Sachdev-Ye-Kitaev模型的量子力学波函数密切相关。如果这个是有效的，还会暗示黑洞和奇怪金属之间存在着深刻的物理联系。与Sachdev-Ye-Kitaev模型的联系突出了多粒子量子纠缠的重要性。量子纠缠有时被称为‘远距离的幽灵行为’，量子纠缠可能是量子理论最新颖的特征：创造状态的能力，在这种状态下，对一个粒子的观察可以影响所有其他粒子的状态，甚至是那些非常遥远的粒子。

研究表明，Sachdev-Ye-Kitaev模型产生的量子纠缠与奇怪金属和黑洞密切相关。未来，该理论模型可能会对物理学领域产生重要影响。事实上，除了提供一种理论可以揭示普朗克金属的行为之外，还指出了这些“不寻常”金属和黑洞之间可能存在的联系。研究人员希望研究最终将回答一些与黑洞量子理论相关的基本问题，包括史蒂芬霍金的信息悖论。还有其他量子力学材料是电绝缘体，但在其热导率中显示出类似于金属普朗克耗散的现象。

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参考期刊《物理评论快报》

DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.066601

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