Tutvuge kummaliste metallidega: kus elekter võib voolata ilma elektronideta | Ajakiri Quanta

Pärast aastat katse-eksitusi õnnestus Liyang Chenil metalltraat mikroskoopiliseks ahelaks, mis oli poole laiune. E.coli bakter – just piisavalt õhuke, et elektrivool saaks sellest läbi pääseda. Chen lootis, et selle voolu tilgad võivad aidata lahendada püsiva mõistatuse selle kohta, kuidas laeng liigub läbi kummastava materjalide klassi, mida nimetatakse kummalisteks metallideks.

Chen, kes oli tollal magistrant, ja tema kaastöötajad Rice'i ülikoolist mõõtsid voolu, mis voolas läbi nende aatomite - õhukese metallikiudu. Ja nad leidsid, et see voolab sujuvalt ja ühtlaselt. Tegelikult nii ühtlaselt, et see trotsis füüsikute standardset arusaama elektrist metallides.

Kanooniliselt tuleneb elektrivool elektronide kollektiivsest liikumisest, millest igaüks kannab ühte jagamatut elektrilaengu tükki. Kuid Cheni voolu pidev püsivus viitas sellele, et see ei koosnenud üldse ühikutest. See oli nagu vedeliku leidmine, millel puudusid individuaalselt äratuntavad molekulid.

Ehkki see võib kõlada veidralt, on see täpselt see, mida mõned füüsikud ootasid grupi testitud metallilt, mis koos oma ebatavalise sugulasega on füüsikuid 1980. aastatest saati lummanud ja segadusse ajanud. "See on väga ilus töö," ütles Subir Sachdev, Harvardi ülikooli teoreetiline füüsik, kes on spetsialiseerunud kummalistele metallidele.

Vaatlus, teatas eelmisel nädalal ajakirjas teadus, on seni üks selgemaid märke selle kohta, et kõik, mis kannab voolu läbi nende ebatavaliste metallide, ei näe välja nagu elektronid. Uus eksperiment tugevdab kahtlusi, et kummaliste metallide sees on tekkimas uus kvantnähtus. Samuti pakub see uut tera teoreetilistele füüsikutele, kes püüavad mõista, mis see võib olla. 

"Kummalised metallid, kellelgi pole maist aimugi, kust need tulevad," ütles Peter Abbamonte, füüsik Illinoisi ülikoolis Urbana-Champaignis. "Varem peeti seda ebamugavaks, kuid nüüd mõistame, et nendes asjades elab mateeria teine ​​faas."

Cuprate mutrivõti

Esimene väljakutse metallide tavapärasele mõistmisele tuli 1986. aastal, kui Georg Bednorz ja Karl Alex Müller vapustasid füüsikamaailma kõrge temperatuuriga ülijuhtide avastamisega – materjalidega, mis kannavad täiuslikult elektrivoolu ka suhteliselt soojadel temperatuuridel. Tuntud metallid, nagu tina ja elavhõbe, muutuvad ülijuhtideks ainult siis, kui need jahutatakse mõne kraadi täpsusega absoluutsest nullist. Bednorz ja Müller mõõtsid vasepõhise (“kuprate”) materjali elektritakistust ja nägid, et see kadus suhteliselt pehme 35 kelvini juures. (Oma läbimurdelise avastuse eest panid Bednorz ja Müller vaid aasta hiljem taskusse Nobeli preemia.)

Füüsikud mõistsid peagi, et kõrgtemperatuuriline ülijuhtivus oli alles kupraatide salapärase käitumise algus.

Kupraadid muutusid väga imelikuks, kui nad lõpetasid ülijuhtimise ja hakkasid vastu. Kui kõik metallid soojenevad, suureneb takistus. Soojem temperatuur tähendab, et aatomid ja elektronid värisevad rohkem, tekitades rohkem takistust tekitavaid kokkupõrkeid, kui elektronid liiguvad läbi materjali voolu. Tavalistes metallides, näiteks niklis, tõuseb takistus madalatel temperatuuridel ruutkeskmiselt – alguses aeglaselt ja siis üha kiiremini. Kuid kupraatides tõusis see lineaarselt: iga soojenemise aste tõi samasuguse takistuse suurenemise - veider muster, mis jätkus sadade kraadide ulatuses ja varjutas veidruse mõttes materjali ülijuhtivusvõimet. Kupraadid olid kõige kummalisemad metallid, mida teadlased kunagi näinud olid.

"Ülijuhtivus on hiir," ütles Andrei Tšubukov, Minnesota ülikooli teoreetiline füüsik. "Elevant … on see kummaline metallikäitumine."

Takistuse lineaarne tõus ohustas kuulsat selgitust selle kohta, kuidas elektrilaeng läbi metallide liigub. 1956. aastal välja pakutud Lev Landau "Fermi vedeliku" teooria asetas elektronid selle kõige keskmesse. See põhines varasematel teooriatel, mis lihtsuse mõttes eeldasid, et elektronid kannavad elektrivoolu ja elektronid liiguvad läbi metalli nagu gaas; nad lendavad vabalt aatomite vahel üksteisega suhtlemata.

Landau lisas viisi, kuidas käsitleda üliolulist, kuid keerulist fakti, et elektronid interakteeruvad. Nad on negatiivselt laetud, mis tähendab, et nad tõrjuvad üksteist pidevalt. Arvestades seda osakeste vahelist interaktsiooni, muutis elektrongaasi millekski ookeanilaadseks – nüüd, kui üks elektron liikus läbi elektronide vedeliku, häiris see lähedalasuvaid elektrone. Läbi keeruka interaktsioonide seeria, mis hõlmas vastastikust tõrjumist, rändasid need nüüd õrnalt interakteeruvad elektronid rahvahulkadena - kvaasiosakestena tuntud klompides.

Fermi vedelikuteooria ime seisnes selles, et iga kvaasiosake käitus peaaegu täpselt nii, nagu oleks tegemist ühe põhielektroniga. Üks oluline erinevus oli aga see, et need plekid liikusid aeglasemalt või viledamalt (olenevalt materjalist) kui tühi elektron, toimides tõhusalt raskemalt või kergemalt. Nüüd, ainuüksi võrrandite massiliikmeid kohandades, võisid füüsikud jätkata voolu käsitlemist elektronide liikumisena, kuid ainult tärniga, mis täpsustab, et iga elektron oli tõesti kvaasiosakeste kogum.

Landau raamistiku peamine võidukäik oli see, et tavalistes metallides saavutas see keeruka viisi, kuidas takistus tõuseb koos temperatuuriga ruutkeskmiselt. Elektronilaadsetest kvaasiosakestest sai standardne viis metallide mõistmiseks. "See on igas õpikus," ütles Sachdev.

Kuid kuprates kukkus Landau teooria dramaatiliselt läbi. Vastupidavus tõusis pigem laitmatu joone kui standardse ruutkõvera järgi. Füüsikud on seda joont pikka aega tõlgendanud märgina, et kupraadid on koduks uuele füüsikalisele nähtusele.

"Peate üsna palju uskuma, et loodus annab teile vihje või on loodus uskumatult julm," ütles Gregory Boebinger, Florida osariigi ülikooli füüsik, kes on suure osa oma karjäärist kulutanud kupraatide lineaarse reaktsiooni uurimisele. "Nii kohutavalt lihtsa ja veetleva allkirja panemine ja see, et see pole füüsiliselt oluline, oleks lihtsalt liiga palju talutav."

Ja kuprad olid alles algus. Teadlased on sellest ajast peale avastanud a hulk erinevaid materjale sama ahvatleva lineaarse takistusega, sealhulgas orgaanilised "Bechgaardi soolad" ja valesti joondatud grafeenilehed. Kui need "veidrad metallid" vohasid, imestasid teadlased, miks Landau Fermi vedelikuteooria näis kõigis neis erinevates materjalides lagunevat. Mõned hakkasid kahtlustama, et see oli sellepärast, et kvaasiosakesi polnud üldse; elektronid organiseerusid kuidagi veidral uuel viisil, mis varjas igasugust individuaalsust, nii nagu viinamarjade diskreetsus kaob veinipudelisse.

"See on aine faas, kus elektronil pole tegelikult identiteeti," ütles Abbamonte. „Sellele vaatamata on [kummaline metall] metall; see kannab kuidagi voolu."

Kuid elektrone lihtsalt ei kaotata. Mõnede teadlaste arvates on potentsiaalselt pidev elektrivool, mis pole elektronideks jagatud, liiga radikaalne. Ja mingid kummalised metallikatsetused jätkuvalt ühtida teatud Landau teooria ennustustega. Jätkuv vaidlus ajendas Cheni lõputöö nõustajat Douglas Natelson Rice'i ülikoolist koos oma kolleegiga Qimiao Si, et kaaluda, kuidas nad saaksid otsesemalt uurida läbi kummalise metalli liikuva laengu anatoomiat.

"Mida saaksin mõõta, mis mulle tegelikult räägiks, mis toimub?" imestas Natelson.

Elektri anatoomia

Meeskonna eesmärk oli lahata hoovust võõras metallis. Kas see tuli elektronisuuruste laengutükkidena? Kas see tuli üldse tükkidena? Selle väljaselgitamiseks võtsid nad inspiratsiooni klassikalisest viisist voolu kõikumiste mõõtmiseks - "laskumürast" - nähtusest, mida saab mõista, kui mõelda, kuidas vihma ajal vihma võib sadada.

Kujutage ette, et istute oma autos ja teate usaldusväärse ilmateate põhjal, et järgmise tunni jooksul sajab 5 millimeetrit vihma. Need 5 millimeetrit on nagu kogu elektrivool. Kui see vihm jaotatakse peotäieks hiiglaslikeks tilkadeks, on nende tilkade kõikumine teie katusel suur; mõnikord pritsivad tilgad selga ja mõnikord on need üksteisest eemal. Sel juhul on võttemüra kõrge. Kui aga sama 5 millimeetrit vihma levib pidevaks pisikeste tilkade uduks, on saabumisaja – ja seega ka löögimüra – kõikumine väike. Udu väljastab sujuvalt peaaegu sama palju vett hetkest hetkesse. Sel viisil paljastab löögimüra tilkade suuruse.

"Ainult vee ilmumise kiiruse mõõtmine ei anna teile kogu pilti," ütles Natelson. "[Selle kursi] kõikumiste mõõtmine ütleb teile palju rohkem."

Samamoodi võib elektrivoolu praksumise kuulamine teile rääkida laengutükkidest, millest see koosneb. Need tükid on tavaliselt Landau elektronitaolised kvaasiosakesed. Tõepoolest, lasumüra salvestamine tavalises metallis on tavaline viis elektroni põhilaengu mõõtmiseks - 1.6 × 10^-19 kulonid.

Et jõuda kummalise metalli voolu keskmesse, tahtis meeskond mõõta lasumüra. Kuid elektrooniline müra võib olla varjatud, kui metalli aatomvõre lainetega elektrone ümber lükatakse. Selle udu vältimiseks saadavad teadlased voolu läbi nii lühikeste juhtmete, et lainetusel pole aega elektrone mõjutada. Need juhtmed peavad olema nanoskoopilise ulatusega.

Rühm otsustas töötada konkreetse kummalise metalliga, mis on valmistatud ütterbiumist, roodiumist ja ränist, kuna Natelsoni ja Si kauaaegne kaastööline Silke Bühler-Paschen Viini Tehnikaülikoolist, oli välja töötanud, kuidas kasvatada materjali vaid kümnete nanomeetrite paksustes kiledes. See hoolitses ühe ruumilise mõõtme eest.

Seejärel jäi Cheni ülesandeks välja mõelda, kuidas võtta need kiled ja lõigata traat, mille pikkus ja laius on vaid nanomeetrid.

Ligikaudu aasta jooksul katsetas Chen erinevaid viise metalli purustamiseks, puhastades seda tõhusalt aatomitega. Kuid katsete järel leidis ta, et saadud nanojuhtmed said aatomiskaala kahjustusi, mis hävitasid kummalise metalli iseloomuliku lineaarse takistuse. Pärast kümneid katseid jõudis ta protsessile, mis töötas: ta kattis metalli kroomiga, kasutas argooni voolu, et puhuda ära kroomiga kaitstud kummalise metalli õhuke joon, seejärel eemaldas kroomi vanniga. vesinikkloriidhappest.

Lõpuks valmistas Chen, kes omandas kevadel edukalt doktorikraadi ja on sellest ajast peale rahandusvaldkonnas töötanud, käputäie peaaegu veatuid nanojuhtmeid. Igaüks neist oli ligikaudu 600 nanomeetrit pikk ja 200 nanomeetrit lai – umbes 50 korda kitsam kui punaverelibled.

Pärast nende jahutamist külma ühekohalise Kelvini temperatuurini juhtisid teadlased elektrivoolu läbi kummaliste metallist nanojuhtmete. Nad juhtisid voolu ka läbi tavalisest kullast valmistatud nanojuhtmete. Vool kuldtraadis praksus tuttaval viisil, nagu seda teevad laetud kvaasiosakestest koosnevad voolud — nagu autokatusele pritsivad rasvased vihmapiisad. Kuid kummalises metallis libises vool vaikselt läbi nanojuhtme, mis sarnaneb peaaegu vaikiva uduvihaga. Katse kõige otsesem tõlgendus on see, et selle kummalise metalli laeng ei voola elektronisuuruste tükkidena.

"Eksperimentaalsed andmed annavad kindlaid tõendeid selle kohta, et kvaasiosakesed on kummalises metallis kadunud," ütles Si.

Mitte kõik füüsikud pole aga täielikult veendunud, et katse tapab Landau kvaasiosakesed. "See on väga julge väide," ütles Brad Ramshaw, Cornelli ülikooli füüsik. "Nii et teil on vaja paksus kirjas andmeid."

Üks katse piirang on see, et rühm testis ainult ühte materjali. See, et Cheni ütterbiumi, roodiumi ja räni segus on haavlimüra madal, ei garanteeri see, et see on teistes kummalistes metallides madal. Ja ühekordse anomaalia võib alati omistada mõnele selle materjali halvasti mõistetavale detailile.

Ramshaw juhtis tähelepanu ka sellele, et metallid helisevad igasuguste helidega kummalised vibratsioonid mis võib voolus moonutada võttemüra. Chen ja tema kolleegid välistasid levinumate vibratsioonide põhjustatud häirete, kuid on võimalik, et mõni eksootiline lainetus hoidis nende tähelepanust kõrvale.

Sellegipoolest peab Ramshaw katset veenvaks. "See motiveerib inimesi tugevalt proovima teha muid asju, et näha, kas need on kooskõlas ka elektronide puudumisega," ütles ta.

Kui mitte elektronid, siis mis?

Kui kvaasiosakeste pilt mureneb jätkuvalt, mis võiks seda asendada? Kuidas liigub vool ümber kummaliste metallide, kui mitte elektronilaadsetes laengupakkides? Seda olukorda pole lihtne kirjeldada, veel vähem täpsetes matemaatilistes terminites. "Mis on õige sõnavara," ütles Natelson, "kui te ei räägi kvaasiosakestest?"

Kui seda vajutada, vastavad füüsikud sellele küsimusele metafooride värinaga selle kohta, mis ilmneb siis, kui üksikud elektronid kaovad: nad sulavad kokku takerdunud kvantsupiks; need tarretuvad tarretiseks; nad moodustavad vahutava laengu segaduse, mis loksub ringi. Philip Phillips Urbana-Champaign võrdleb kummalise metalli elektrone rehvis oleva kummiga. Kui puust tuleb kumm välja, reastuvad selle molekulid üksikutesse stringidesse. Kuid vulkaniseerimisprotsessi käigus muutuvad need stringid vastupidavaks võrguks. Indiviidide kogust tekib uus aine. "Sa saad midagi, mis on suurem kui selle osade summa," ütles ta. "Elektronitel endil pole terviklikkust."

Et minna kaugemale tekkimise ebamäärastest kirjeldustest, vajavad füüsikud täpset matemaatilist kirjeldust - veel avastamata Fermi vedeliku teooriat kummaliste metallide jaoks. Sachdev aitas 1990. aastate alguses välja töötada ühe lihtsustatud kandidaadi, SYK mudeli. Sellel oli lineaarne takistus õige, kuid sellel ei olnud midagi pistmist tõeliste materjalidega, mis on valmistatud tõelisest aatomivõrgust. Esiteks ei olnud sellel ruumi; kõik elektronid istuvad ühes punktis, kus nad juhuslikult interakteeruvad ja takerduvad kõigi teiste elektronidega.

Viimase paari aasta jooksul on Sachdev Aavishkar Patel Flatiron Institute'ist ja nende kaastöötajad on selle kallal töötanud ruumi toomine SYK mudelisse. Nad levitavad elektronide interaktsioone üle ruumi, võttes arvesse aatomivõre vigade mõju - kohti, kus aatomid on kadunud või on tekkinud lisaaatomeid. See aatomi ebatäiuslikkuse tolmutamine põhjustab juhuslikke variatsioone selles, kuidas elektronide paarid interakteeruvad ja takerduvad. Saadud takerdunud elektronidest seinavaibal on lineaarselt tõusev takistus – see on kummalise metalli tunnus. Nad kasutasid hiljuti oma raamistikku lasumüra arvutamiseks samuti. Arvud ei vasta päris Cheni tähelepanekutele, kuid need moodustavad sama kvalitatiivse mustri. "Kõik suundumused on õiged," ütles Sachdev.

Teised teadlased rõhutavad, et teoreetiline olukord jääb muutumatuks – mõnele ei ole selge, kas üksteisest nii erinevad materjalid nagu grafeenilehed ja kupraatülijuhid võivad jagada piisavalt sarnaseid vigu, et tekitada ühiseid kummalisi metalliomadusi. Sachdevi ja Pateli teooria nõutud viisil. Ja alternatiivseid teooriaid on palju. Näiteks Phillips kahtlustab, et kummalised metallid nõuavad elektromagnetismi esilekerkiv vorm mis ei sõltu tervetest elektronidest. Si ja Bühler-Paschen on samal ajal veetnud peaaegu 20 aastat arendades ja uurides a teooria selle kohta, kuidas kvaasiosakesed lahustuvad, kui süsteem asubkvantkriitiline punkt”, kus kaks erinevat kvantmehaanilist olekut võitlevad ülekaalu pärast. Laskemüra katses viisid nad oma nanojuhtmed just sellisesse kriitilisse punkti.

Kuigi füüsikud ei ole veel ühel meelel, miks elektrilaengud tunduvad veidrates metallides lahustuvat või isegi kui need tõesti lahustuvad, on nad otsustanud selle välja selgitada.

"Kui me tõesti arvame, et seal on terve kategooria metalle, millest me aru ei saa," ütles Natelson, "on oluline neid mõista."

Toimetaja märkus: Flatironi instituuti rahastab Simonsi fond, mis rahastab ka seda toimetuslikult sõltumatut ajakirja. Flatironi instituut ega Simonsi fond ei mõjuta meie kajastust. Lisateave saadaval siin.

Quanta viib läbi mitmeid küsitlusi, et meie vaatajaskonda paremini teenindada. Võtke meie füüsika lugejaküsitlus ja teid osaletakse tasuta võitmiseks Quanta kaubad.