Mød mærkelige metaller: Hvor elektricitet kan flyde uden elektroner | Quanta Magasinet

Efter et års forsøg og fejl havde Liyang Chen formået at skære en metaltråd ned til en mikroskopisk tråd, der var halvt så bred som en E.coli bakterie - lige tynd nok til at lade en strøm af elektrisk strøm passere igennem. Drypene af den strøm kunne, håbede Chen, hjælpe med at afgøre et vedvarende mysterium om, hvordan ladning bevæger sig gennem en forvirrende klasse af materialer kendt som mærkelige metaller.

Chen, dengang en kandidatstuderende, og hans samarbejdspartnere ved Rice University målte strømmen, der strømmer gennem deres atom-tynde metalstreng. Og de fandt ud af, at det flød jævnt og jævnt. Faktisk så jævnt, at det trodsede fysikeres standardopfattelse af elektricitet i metaller.

Kanonisk er elektrisk strøm et resultat af den kollektive bevægelse af elektroner, der hver bærer en udelelig del af elektrisk ladning. Men den døde stabilitet af Chens strøm indebar, at den slet ikke var lavet af enheder. Det var som at finde en væske, der på en eller anden måde manglede individuelt genkendelige molekyler.

Selvom det måske lyder underligt, er det præcis, hvad nogle fysikere forventede af det metal, gruppen testede, som sammen med sin usædvanlige slægtning har forført og forvirret fysikere siden 1980'erne. "Det er et meget smukt stykke arbejde," sagde Subir Sachdev, en teoretisk fysiker ved Harvard University, der har specialiseret sig i mærkelige metaller.

Observationen, rapporterede i sidste uge i tidsskriftet Videnskab, er en af ​​de mest ligefremme indikationer til dato, at alt, hvad der fører strøm gennem disse usædvanlige metaller, ikke ligner elektroner. Det nye eksperiment styrker mistanken om, at et nyt kvantefænomen er ved at opstå inden for mærkelige metaller. Det giver også nyt gryn for teoretiske fysikere, der forsøger at forstå, hvad det kan være. 

"Mærkelige metaller, ingen har nogen jordisk idé om, hvor de kommer fra," sagde Peter Abbamonte, en fysiker ved University of Illinois, Urbana-Champaign. "Det plejede at blive betragtet som en besvær, men nu indser vi, at det virkelig er en anden fase af stof, der lever i disse ting."

En cupratnøgle

Den første udfordring til den konventionelle forståelse af metaller kom i 1986, da Georg Bednorz og Karl Alex Müller rystede fysikverdenen med deres opdagelse af højtemperatur-superledere - materialer, der perfekt bærer en elektrisk strøm selv ved relativt varme temperaturer. Velkendte metaller som tin og kviksølv bliver kun superledere, når de afkøles til et par grader fra det absolutte nulpunkt. Bednorz og Müller målte den elektriske modstand i et kobberbaseret ("kuprat") materiale og så, at det forsvandt ved relativt milde 35 kelvin. (For deres banebrydende opdagelse fik Bednorz og Müller en Nobelpris i lommerne blot et år senere.)

Fysikere indså hurtigt, at superledning ved høje temperaturer kun var begyndelsen på cupraternes mystiske adfærd.

Cupraterne blev virkelig mærkelige, da de holdt op med at superledende og begyndte at gøre modstand. Når alle metaller opvarmes, øges modstanden. Varmere temperaturer betyder, at atomer og elektroner svinger mere, hvilket skaber flere modstandsfremkaldende kollisioner, når elektroner sender strøm gennem et materiale. I normale metaller, såsom nikkel, stiger modstanden kvadratisk ved lave temperaturer - først langsomt og derefter hurtigere og hurtigere. Men i cuprates steg det lineært: Hver grad af opvarmning medførte den samme stigning i modstand - et bizart mønster, der fortsatte over hundreder af grader og i form af mærkelighed overskyggede materialets superledende evne. Cupraterne var de mærkeligste metalforskere nogensinde havde set.

"Superledning er en mus," sagde Andrey Chubukov, en teoretisk fysiker ved University of Minnesota. "Elefanten ... er denne mærkelige metaladfærd."

Den lineære stigning i modstand truede en berømt forklaring på, hvordan elektrisk ladning bevæger sig gennem metaller. Foreslået i 1956 placerede Lev Landaus "Fermi væske"-teori elektroner i centrum af det hele. Den byggede på tidligere teorier, der for nemheds skyld antog, at elektroner fører elektrisk strøm, og at elektronerne bevæger sig gennem et metal som en gas; de flyder frit mellem atomer uden at interagere med hinanden.

Landau tilføjede en måde at håndtere det afgørende, men komplicerede faktum, at elektroner interagerer. De er negativt ladede, hvilket betyder, at de konstant frastøder hinanden. I betragtning af denne interaktion mellem partiklerne forvandlede elektrongassen til noget af et hav - nu, da en elektron bevægede sig gennem væsken af ​​elektroner, forstyrrede den de nærliggende elektroner. Gennem en kompliceret række af interaktioner, der involverer gensidig frastødning, endte disse nu blidt interagerende elektroner med at rejse i menneskemængder - i klumper kendt som kvasipartikler.

Miraklet med Fermi væsketeori var, at hver kvasipartikel opførte sig næsten nøjagtigt, som om den var en enkelt, fundamental elektron. En stor forskel var dog, at disse klatter bevægede sig mere trægt eller mere smidigt (afhængigt af materialet) end en blottet elektron, der effektivt virkede tungere eller lettere. Nu, blot ved at justere massevilkårene i deres ligninger, kunne fysikere fortsætte med at behandle strøm som elektronernes bevægelse, kun med en stjerne, der angiver, at hver elektron virkelig var en kvasipartikelklump.

En stor triumf for Landaus struktur var, at den i normale metaller nåede den komplicerede måde, hvorpå modstanden stiger kvadratisk med temperaturen. Elektronlignende kvasipartikler blev standardmetoden til at forstå metaller. "Det er i hver lærebog," sagde Sachdev.

Men i cuprates mislykkedes Landaus teori dramatisk. Modstanden steg i en pletfri linje snarere end den kvadratiske standardkurve. Fysikere har længe fortolket denne linje som et tegn på, at cuprates er hjemsted for et nyt fysisk fænomen.

"Du skal stort set tro, at naturen enten giver dig et fingerpeg, eller også er naturen utrolig grusom," sagde Gregory Boebinger, en fysiker ved Florida State University, som har brugt meget af sin karriere på at studere cuprates' lineære respons. "At sætte sådan en frygtelig enkel og forførende signatur op og have den ikke være fysisk vigtig ville bare være for meget at bære."

Og cuprates var kun begyndelsen. Forskere har siden opdaget en mange forskellige materialer med den samme dragende lineære modstand, inklusive organiske "Bechgaard-salte" og fejljusterede plader af grafen. Da disse "mærkelige metaller" spredte sig, undrede forskerne sig over, hvorfor Landaus Fermi-væsketeori syntes at bryde ned i alle disse forskellige materialer. Nogle kom til at mistænke, at det var fordi der slet ikke var kvasipartikler; elektronerne organiserede sig på en eller anden måde på en mærkelig ny måde, der tilslørede enhver individualitet, ligesom druernes diskrete natur forsvinder i en flaske vin.

"Det er en fase af materien, hvor en elektron virkelig ikke har nogen identitet," sagde Abbamonte. "Ikke desto mindre er [et mærkeligt metal] et metal; det bærer på en eller anden måde strøm."

Men man afskaffer ikke blot elektroner. For nogle forskere er en potentielt kontinuerlig elektrisk strøm - en, der ikke er opdelt i elektroner - for radikal. Og nogle mærkelige metaleksperimenter fortsætte med at matche visse forudsigelser af Landaus teori. Den vedvarende kontrovers fik Chens specialerådgiver, Douglas Natelson fra Rice University sammen med sin kollega Qimiao Si, for at overveje, hvordan de mere direkte kan undersøge anatomien af ​​ladningen, der bevæger sig gennem et mærkeligt metal.

"Hvad kunne jeg måle, der faktisk ville fortælle mig, hvad der foregår?" Natelson undrede sig.

Elektricitetens anatomi

Holdets mål var at dissekere strømmen i et mærkeligt metal. Kom det i ladninger i elektronstørrelse? Kom det overhovedet i bidder? For at finde ud af det tog de inspiration fra en klassisk måde at måle fluktuationer i et flow på - "skudstøjen" - et fænomen, der kan forstås, hvis vi tænker på, hvordan regn kan falde under et regnvejr.

Forestil dig, at du sidder i din bil, og du ved fra en pålidelig vejrudsigt, at der vil falde 5 millimeter regn i løbet af den næste time. Disse 5 millimeter er som den samlede elektriske strøm. Hvis den regn er fordelt i en håndfuld kæmpe dråber, vil variationen i, hvornår disse dråber rammer dit tag, være høj; nogle gange vil dråber sprøjte ryg mod ryg, og andre gange vil de blive spredt ud. I dette tilfælde er skudstøjen høj. Men hvis de samme 5 millimeter regn spredes til en konstant tåge af bittesmå dråber, vil variationen i ankomsttid - og derfor skudstøjen - være lav. Tågen vil jævnt levere næsten den samme mængde vand fra øjeblik til øjeblik. På denne måde afslører skudstøj størrelsen af ​​dråberne.

"Bare måling af hastigheden, hvormed vandet dukker op, fortæller dig ikke hele billedet," sagde Natelson. "At måle udsvingene [i den sats] fortæller dig meget mere."

På samme måde kan det at lytte til knitren i elektrisk strøm fortælle dig om de bidder af ladning, der udgør den. Disse bidder er normalt Landaus elektronlignende kvasipartikler. Faktisk er registrering af skudstøjen i et normalt metal en almindelig måde at måle elektronens fundamentale ladning - 1.6 × 10^-19 coulombs.

For at komme til hjertet af et mærkeligt metals strøm, ønskede holdet at måle skudstøj. Men elektronisk skudstøj kan skjules, hvis elektroner skubbes rundt af krusninger i et metals atomgitter. For at undgå det fuzz sender forskere strøm gennem ledninger så korte, at krusningerne ikke når at påvirke elektronerne. Disse ledninger skal være i nanoskopisk skala.

Gruppen valgte at arbejde med et særligt mærkeligt metal lavet af ytterbium, rhodium og silicium, fordi Natelson og Si's mangeårige samarbejdspartner, Silke Bühler-Paschen fra det teknologiske universitet i Wien, havde fundet ud af, hvordan man dyrkede materialet i film, der kun var snesevis af nanometer tykke. Det tog sig af én rumlig dimension.

Så faldt det op til Chen at finde ud af, hvordan man skulle tage disse film og udskære en ledning, der kun målte nanometer i længden og bredden.

I løbet af omkring et år testede Chen forskellige måder at nedbryde metallet på ved effektivt at sandblæse det med atomer. Men i retssag efter retssag fandt han ud af, at de resulterende nanotråde led skade på atomare skala, der ødelagde det mærkelige metals karakteristiske lineære modstand. Efter snesevis af forsøg landede han på en proces, der virkede: Han beklædte metallet med chrom, brugte en strøm af argongas til at sprænge alt undtagen en tynd linje af det chrombeskyttede mærkelige metal væk, og strippede derefter chromet af med et bad af saltsyre.

Til sidst lavede Chen, som med succes opnåede sin doktorgrad i foråret og siden er gået på arbejde med finans, en håndfuld næsten fejlfri nanotråde. Hver var omkring 600 nanometer lang og 200 nanometer bred - omkring 50 gange smallere end en rød blodcelle.

Efter at have afkølet dem til kolde, encifrede Kelvin-temperaturer, kørte forskerne elektrisk strøm gennem de mærkelige metal nanotråde. De kørte også strøm gennem nanotråde lavet af normalt guld. Strømmen i guldtråden krakelerede på den velkendte måde, som strømme lavet af ladede kvasipartikler gør - som fede regndråber, der plaskede på bilens tag. Men i det mærkelige metal gled strømmen stille gennem nanotråden, en effekt svarende til den næsten tavse sus af tåge. Den mest ligetil fortolkning af eksperimentet er, at ladningen i dette mærkelige metal ikke flyder i elektronstørrelser.

"De eksperimentelle data giver stærke beviser for, at kvasipartikler går tabt i det mærkelige metal," sagde Si.

Ikke alle fysikere er dog helt overbeviste om, at eksperimentet dræber Landaus kvasipartikler. "Det er en meget dristig påstand," sagde Brad Ramshaw, fysiker ved Cornell University. "Så du har brug for dristige data."

En begrænsning ved eksperimentet er, at gruppen kun testede ét materiale. Bare fordi skudstøjen er lav i Chens ytterbium-, rhodium- og siliciumblanding, garanterer det ikke, at den er lav i andre mærkelige metaller. Og en enkeltstående anomali kan altid tilskrives nogle dårligt forståede detaljer om dette materiale.

Ramshaw påpegede også, at metaller ringer med alle slags mærkelige vibrationer der kan forvrænge skudstøj i strømmen. Chen og hans kolleger udelukkede interferens fra de mere almindelige vibrationer, men det er muligt, at nogle eksotiske krusninger undgik deres varsel.

Ikke desto mindre finder Ramshaw eksperimentet overbevisende. "Det er stærkt motiverende for folk at prøve at gøre andre ting for at se, om de også er konsistente uden elektroner," sagde han.

Hvis ikke elektroner, hvad så?

Hvis kvasipartikelbilledet fortsætter med at smuldre, hvad kan så erstatte det? Hvordan bevæger strømmen sig rundt om mærkelige metaller, hvis ikke i elektronlignende ladningspakker? Det er ikke en nem situation at beskrive, meget mindre sat i præcise matematiske termer. "Hvad er det rigtige ordforråd at bruge," sagde Natelson, "hvis du ikke vil tale om kvasipartikler?"

Når der trykkes på, svarer fysikere på dette spørgsmål med et ryster af metaforer for, hvad der opstår, når individuelle elektroner forsvinder: De smelter sammen til en sammenfiltret kvantesuppe; de stivner til en gelé; de danner et skummende rod af ladninger, der skvulper rundt. Philip Phillips af Urbana-Champaign sammenligner et mærkeligt metals elektroner med gummiet i et dæk. Når gummi kommer ud af et træ, stiller dets molekyler op i individuelle strenge. Men under vulkaniseringsprocessen forvandles disse strenge til et robust net. Et nyt stof opstår fra samlingen af ​​individer. "Du får noget, der er større end summen af ​​dets dele," sagde han. "Elektronerne i sig selv har ingen integritet."

For at gå ud over vage beskrivelser af emergens har fysikere brug for en præcis matematisk beskrivelse - en endnu uopdaget Fermi-væsketeori for mærkelige metaller. Sachdev hjalp med at udvikle en forsimplet kandidat, SYK-modellen, i begyndelsen af ​​1990'erne. Det fik den lineære modstand rigtigt, men det havde slet ikke noget at gøre med rigtige materialer lavet af et rigtigt gitter af atomer. Dels havde den ingen plads; alle elektroner sidder på et enkelt punkt, hvor de tilfældigt interagerer og bliver viklet ind med alle andre elektroner.

I løbet af de sidste par år har Sachdev, Aavishkar Patel af Flatiron Institute, og deres samarbejdspartnere har arbejdet på bringer plads ind i SYK-modellen. De spreder elektroninteraktioner over rummet ved at overveje virkningerne af fejl i atomgitteret - pletter, hvor atomer er forsvundet eller ekstra atomer er dukket op. Denne afstøvning af atomare ufuldkommenheder forårsager tilfældige variationer i, hvordan elektronpar interagerer og bliver viklet ind. Det resulterende tapet af sammenfiltrede elektroner har en lineært stigende modstand - kendetegnende for et mærkeligt metal. De brugte for nylig deres rammer at beregne skudstøj såvel. Tallene stemmer ikke helt overens med Chens observationer, men de danner det samme kvalitative mønster. "Alle tendenserne er rigtige," sagde Sachdev.

Andre forskere understreger, at den teoretiske situation forbliver flydende - det er ikke klart for nogle, om materialer, der er så forskellige fra hinanden som plader af grafen og cuprat-superledere, alle kan dele en ensartet nok tavle af fejl til at producere de fælles mærkelige metalegenskaber i måde krævet af Sachdev og Patels teori. Og alternative teorier florerer. Phillips har for eksempel mistanke om, at mærkelige metaller kræver det en ny form for elektromagnetisme der ikke er afhængig af hele elektroner. Si og Bühler-Paschen har i mellemtiden brugt næsten 20 år udvikle og udforske a teori for hvordan kvasipartikler opløses, når et system sidder ved et "kvantekritisk punkt,” hvor to forskellige kvantemekaniske tilstande kæmper om overtaget. I shot-noise-eksperimentet bragte de deres nanotråde til netop et så kritisk punkt.

Mens fysikere endnu ikke er enige om, hvorfor elektriske ladninger ser ud til at opløses inde i mærkelige metaller, eller selvom de virkelig opløses, er de fast besluttet på at finde ud af det.

"Hvis vi virkelig tror, ​​at der er en hel kategori af metaller derude, som vi ikke forstår," sagde Natelson, "er det vigtigt at forstå dem."

Redaktørens note: Flatiron Institute er finansieret af Simons Foundation, som også finansierer dette redaktionelt uafhængige magasin. Hverken Flatiron Institute eller Simons Fonden har indflydelse på vores dækning. Mere information tilgængelig link..

Quanta gennemfører en række undersøgelser for bedre at kunne betjene vores publikum. Tag vores fysiklæserundersøgelse og du vil være med til at vinde gratis Quanta varer.