奇异金属里发现的普遍量子现象

奇异金属里发现的普遍量子现象

在一大类超导材料里随处可见的量子现象的发现，让越来越多的物理学家相信存在一个未知的普遍适用的组织原理来描述多粒子的联合行为和他们怎样传输能量还有信息。理解这个组织原理是我们可以深层次的理解量子奇异性的关键。

这个新的实验发现，在一种称为cuprate的陶瓷材料里电子可以以最快的速度传输能量，而且这个速度远超基本的量子速度极限。在过去的研究中，人们也发现了一种特殊的超导的材料似乎可以以最快的速率传输能量。

令人震惊的是，这个速度极限与普朗克常数，一个量子力学里代表自然界最小作用的基本常数，相关。

这种行为的出现都是在这些材料处在一种奇异金属态上，处在这态时，电流会受到比处一般金属态时更大阻力。但是当材料被冷却的临界温度的时候，他们会转变为一种完美的没有任何损耗的导电体。物理学家已经殚精竭虑了32年想要弄懂和掌握这种很有价值的超导形态，其中搞清楚奇异金属态是关键的一步。

一些专家猜想，处在奇异金属里面的电子会组织成一种 最大混杂(scrambing)的量子态上，每一个电子的态都和另外所有的电子相关。这中最大混杂态或许可是使电子被其他电子碰撞散射从而可以以量子原理允许的最大速度传递能量。

混杂态是量子力学最难以理解的极端。在19世纪30年代，爱因斯坦就对两个粒子纠缠时虽然他们相距很远可以互相影响的这个想法不满。而现在我们有几十万个纠缠在一起的电子来构成了一个量子态。我们是在研究量子纠缠的最前沿。

2004年，荷兰的物理学家Jan Zannen 给这个古怪的现象命名为 普兰看扩散。他主张在这些奇异材料的的电子都达到 了量子力学允许的速度极限。比好像，当你发现在马路上，所有 的车以相同的速度行驶时，不是因为所有车上引擎都一样，而是因为存在一个速度极限。

要理解这个量子速度极限，我们可能需要不确定性原理：能量和时间也不能同时精确测量。猜想就是，处在奇异金属态时，电子的能量和温度成正比，电子扩散需要一定的时间。因为时间和能量不能同时精确测量，当能量被精确测量的时候，电子扩散的时间不确定度达到最大，这就有可能导致电子以极限速度扩散。这还只是一个很粗浅的想法。

现在物理学家正尝试用全息的方法来理解这个问题。在全息的理论里，这个量子态可以想象成一种带有黑洞的时空结构。当有物质信息落入黑洞的时候，黑洞会受到扰动，当黑洞把信息完全传遍整个系统时会恢复稳定。对于黑洞这个传递信息的顺序就存在一个极限。

上面的大多是翻译了quantum magazine上的文章”Universal Quantum Phenomenon Found in Strange Metals” 。 最近在看一些有关混沌和全息的东西。正好和这个相关。对于混沌系统，在扰动的开始，系统还遵循一般的扩散规律，但是随着时间的增加，越来越多的物理自由度参与进来，导致扰动的传递的有一个速度指数级增加的过程，这个也称为scramble。而有意思的是，这个scramble也就是混沌有一个最大的限度，也就对应了最大的传输速度。正好黑洞满足这个最大的混乱度。但问题是并不是所有的量子系统都可以有全息的对应。满足什么样的量子系统有全息对应这个问题还没有完全解决。但是至少现在我们有了一个必要条件，就是所有的这样的量子系统必须要有最大的混乱度。而奇异金属态似乎正好满足了这个条件。如果能找到相对应的全息描述就很有意思了，因为这样或许我们就可以用全息进一步的了解超导。