Tapaa outoja metalleja: Missä sähkö voi virrata ilman elektroneja | Quanta-lehti

Vuoden yrityksen ja erehdyksen jälkeen Liyang Chen oli onnistunut leikkaamaan metallilangan mikroskooppiseksi säikeeksi, joka oli puolet leveydestä. E.coli bakteeri - juuri tarpeeksi ohut päästämään sähkövirran läpi. Chen toivoi, että tämän virran tippuminen voisi auttaa ratkaisemaan jatkuvan mysteerin siitä, kuinka varaus liikkuu kummallisina metalleina tunnetun hämmentävän materiaaliluokan läpi.

Chen, tuolloin jatko-opiskelija, ja hänen työtoverinsa Ricen yliopistossa mittasivat atomiensa läpi kulkevan virran - ohuen metallinauhan. Ja he havaitsivat, että se virtasi sujuvasti ja tasaisesti. Itse asiassa niin tasaisesti, että se uhmasi fyysikkojen standardikäsitystä metallien sähköstä.

Kanonisesti sähkövirta syntyy elektronien kollektiivisesta liikkeestä, joista jokainen kantaa yhden jakamattoman sähkövarauspalan. Mutta Chenin virran kuollut tasaisuus merkitsi sitä, että se ei ollut tehty lainkaan yksiköistä. Se oli kuin olisi löytänyt nestettä, josta jotenkin puuttui yksilöllisesti tunnistettavia molekyylejä.

Vaikka tämä saattaa kuulostaa oudolta, se on juuri sitä, mitä jotkut fyysikot odottivat ryhmän testaamalta metallilta, joka yhdessä epätavallisen sukulaisensa kanssa on houkutellut ja hämmentänyt fyysikot 1980-luvulta lähtien. "Se on erittäin kaunis teos", sanoi Subir Sachdev, Harvardin yliopiston teoreettinen fyysikko, joka on erikoistunut outoihin metalleihin.

Havainto, ilmoitti viime viikolla lehdessä tiede, on yksi selkeimmistä osoituksista, että mikä tahansa kuljettaa virtaa näiden epätavallisten metallien läpi, ei näytä elektronilta. Uusi koe vahvistaa epäilyjä siitä, että uusi kvanttiilmiö on nousemassa outojen metallien sisällä. Se tarjoaa myös uutta tietoa teoreettisille fyysikoille, jotka yrittävät ymmärtää, mikä se voisi olla. 

"Oudot metallit, kenelläkään ei ole maallista aavistustakaan, mistä ne tulevat", sanoi Peter Abbamonte, fyysikko Illinoisin yliopistosta, Urbana-Champaignista. "Aiemmin sitä pidettiin haittana, mutta nyt ymmärrämme, että näissä asioissa asuu todella erilainen aineen vaihe."

Cuprate jakoavain

Ensimmäinen haaste metallien tavanomaiselle ymmärtämiselle tuli vuonna 1986, kun Georg Bednorz ja Karl Alex Müller järisyttivät fysiikan maailmaa löytäessään korkean lämpötilan suprajohteita – materiaaleja, jotka kuljettavat täydellisesti sähkövirtaa jopa suhteellisen lämpimissä lämpötiloissa. Tutuista metalleista, kuten tinasta ja elohopeesta, tulee suprajohtimia vain, kun ne jäähdytetään muutaman asteen tarkkuudella absoluuttisesta nollasta. Bednorz ja Müller mittasivat sähköisen resistanssin kuparipohjaisesta materiaalista ("cuprate") ja näkivät, että se katosi suhteellisen leutoina 35 kelvinissä. (Läpimurtolöydöstään Bednorz ja Müller saivat Nobel-palkinnon vain vuotta myöhemmin.)

Fyysikot ymmärsivät pian, että korkean lämpötilan suprajohtavuus oli vasta alku kupraattien salaperäiselle käyttäytymiselle.

Kupraatit muuttuivat todella oudoksi, kun ne lopettivat suprajohtamisen ja alkoivat vastustaa. Kun kaikki metallit lämpenevät, vastus kasvaa. Lämpimät lämpötilat tarkoittavat, että atomit ja elektronit heiluvat enemmän ja aiheuttavat enemmän vastusta aiheuttavia törmäyksiä, kun elektronit siirtävät virtaa materiaalin läpi. Tavallisissa metalleissa, kuten nikkelissä, vastus nousee neliöllisesti alhaisissa lämpötiloissa – aluksi hitaasti ja sitten yhä nopeammin. Mutta kupraateissa se nousi lineaarisesti: Jokainen lämpenemisaste toi saman lisäyksen vastukseen - outo kuvio, joka jatkui satojen asteiden yli ja omituisuudessa varjosti materiaalin suprajohtamiskykyä. Kupraatit olivat oudoimpia metalleja, joita tutkijat olivat koskaan nähneet.

"Suprajohtavuus on hiiri", sanoi Andrei Chubukov, teoreettinen fyysikko Minnesotan yliopistosta. "Elefantti… on tämä outo metallikäyttäytyminen."

Lineaarinen vastuksen nousu uhkasi kuuluisaa selitystä siitä, kuinka sähkövaraus liikkuu metallien läpi. Vuonna 1956 ehdotettu Lev Landaun "Fermi-neste" -teoria asetti elektronit kaiken keskipisteeseen. Se rakentui aikaisempiin teorioihin, jotka yksinkertaisuuden vuoksi olettivat, että elektronit kuljettavat sähkövirtaa ja että elektronit liikkuvat metallin läpi kuin kaasu; ne leivät vapaasti atomien välillä olematta vuorovaikutuksessa toistensa kanssa.

Landau lisäsi tavan käsitellä ratkaisevaa mutta monimutkaista tosiasiaa, että elektronit ovat vuorovaikutuksessa. Ne ovat negatiivisesti varautuneita, mikä tarkoittaa, että ne hylkivät jatkuvasti toisiaan. Koska tämä hiukkasten välinen vuorovaikutus muutti elektronikaasun joksikin valtamereksi - nyt, kun yksi elektroni liikkui elektronien nesteen läpi, se häiritsi lähellä olevia elektroneja. Monimutkaisen vuorovaikutussarjan, johon sisältyi keskinäinen hylkiminen, ansiosta nämä nyt varovasti vuorovaikutuksessa olevat elektronit päätyivät kulkemaan väkijoukkoon - kvasihiukkasina tunnetuissa möykkyissä.

Fermin nesteteorian ihme oli, että jokainen kvasihiukkanen käyttäytyi lähes täsmälleen ikään kuin se olisi yksi peruselektroni. Yksi suuri ero kuitenkin oli, että nämä läiskät liikkuivat hitaammin tai ketterämmin (riippuen materiaalista) kuin paljas elektroni, toimien tehokkaasti raskaammin tai kevyemmin. Nyt, pelkästään säätämällä yhtälöidensä massatermejä, fyysikot saattoivat jatkaa virran käsittelemistä elektronien liikkeenä, vain tähdellä, joka täsmentää, että jokainen elektroni oli todella kvasihiukkasrypäle.

Landaun rungon suuri voitto oli se, että normaaleissa metalleissa se naulasi monimutkaisen tavan, jolla vastus nousee neliöllisesti lämpötilan mukana. Elektronin kaltaisista kvasihiukkasista tuli standardi tapa ymmärtää metalleja. "Se on jokaisessa oppikirjassa", Sachdev sanoi.

Mutta kuprateissa Landaun teoria epäonnistui dramaattisesti. Resistanssi nousi tahrattomana linjana tavallisen neliökäyrän sijaan. Fyysikot ovat pitkään tulkinneet tämän linjan merkiksi siitä, että kupraatit ovat uuden fysikaalisen ilmiön koti.

"Sinun on aika pitkälti uskottava, että luonto joko antaa sinulle vihjeen tai luonto on uskomattoman julma", sanoi Gregory Boebinger, Floridan osavaltion yliopiston fyysikko, joka on viettänyt suuren osan urastaan ​​kupraattien lineaarisen vasteen tutkimiseen. "Näin kauhean yksinkertaisen ja houkuttelevan allekirjoituksen laittaminen ja se, ettei se ole fyysisesti tärkeä, olisi vain liikaa siedettävää."

Ja kuprat olivat vasta alkua. Tutkijat ovat sittemmin löytäneet a lukuisia erilaisia ​​materiaaleja Sama houkutteleva lineaarinen vastus, mukaan lukien orgaaniset "Bechgaard-suolat" ja väärin kohdistetut grafeenilevyt. Kun nämä "outot metallit" lisääntyivät, tutkijat ihmettelivät, miksi Landaun Fermi-nesteteoria näytti hajoavan kaikissa näissä erilaisissa materiaaleissa. Jotkut alkoivat epäillä, että se johtui siitä, että kvasihiukkasia ei ollut ollenkaan; elektronit järjestyivät jotenkin oudolla uudella tavalla, joka hämärsi kaiken yksilöllisyyden, aivan kuten rypäleiden diskreetti katoaa viinipulloon.

"Se on aineen vaihe, jossa elektronilla ei todellakaan ole identiteettiä", Abbamonte sanoi. "Kuitenkin [outo metalli] on metalli; se kantaa jotenkin virtaa."

Mutta elektroneja ei vain poisteta. Joillekin tutkijoille potentiaalisesti jatkuva sähkövirta - sellainen, jota ei ole jaettu elektroneiksi - on liian radikaali. Ja outoja metallikokeita vastaa edelleen tiettyjä Landaun teorian ennusteita. Jatkuva kiista sai Chenin opinnäytetyön ohjaajan, Douglas Natelson Rice Universitystä yhdessä kollegansa kanssa Qimiao Si, pohtiakseen, kuinka he voisivat suoremmin tutkia oudon metallin läpi liikkuvan varauksen anatomiaa.

"Mitä voisin mitata, mikä todella kertoisi minulle, mitä tapahtuu?" Natelson ihmetteli.

Sähkön anatomia

Joukkueen tavoitteena oli leikata virtaa oudossa metallissa. Tuliko se elektronin kokoisina varauspaloina? Tuliko se ollenkaan paloina? Selvittääkseen he saivat inspiraationsa klassisesta tavasta mitata virtauksen vaihteluita - "laukauskohinaa" - ilmiötä, joka voidaan ymmärtää, jos ajattelemme tapoja, joilla sade voi sataa myrskyn aikana.

Kuvittele, että istut autossasi ja tiedät luotettavan sääennusteen perusteella, että seuraavan tunnin aikana sataa 5 millimetriä sadetta. Nuo 5 millimetriä ovat kuin kokonaissähkövirta. Jos tuo sade jakautuu kouralliseen jättimäisiä pisaroita, vaihtelu siinä, milloin nuo pisarat osuivat kattoon, on suuri; joskus pisarat roiskevat seläkkäin, ja toisinaan ne roiskuvat erillään. Tässä tapauksessa laukauksen melu on korkea. Mutta jos samat 5 millimetriä sadetta levitetään jatkuvaksi pienten pisaroiden sumuksi, saapumisajan vaihtelu - ja siten laukausmelu - on vähäistä. Sumu toimittaa sujuvasti lähes saman määrän vettä hetkestä toiseen. Tällä tavalla laukauskohina paljastaa pisaroiden koon.

"Pelkä veden ilmaantumisen nopeuden mittaaminen ei kerro koko kuvaa", Natelson sanoi. "Heilahtelujen mittaaminen [suunnassa] kertoo paljon enemmän."

Vastaavasti sähkövirran rätisevän kuuntelu voi kertoa sinulle sen muodostavista varauspaloista. Nämä palaset ovat tavallisesti Landaun elektronin kaltaisia ​​kvasihiukkasia. Laukausmelun tallentaminen normaaliin metalliin onkin yleinen tapa mitata elektronin perusvaraus - 1.6 × 10^-19 kuloneja.

Päästäkseen oudon metallin virran ytimeen tiimi halusi mitata laukauksen melua. Mutta elektroninen laukauskohina voi peittyä, jos metallin atomihilan aaltoilu työntää elektroneja ympäriinsä. Välttääkseen tämän sumun tutkijat lähettävät virtaa niin lyhyiden johtojen läpi, että värähtelyillä ei ole aikaa vaikuttaa elektroneihin. Näiden johtojen on oltava nanoskooppisia.

Ryhmä päätti työskennellä erityisen oudon metallin kanssa, joka on valmistettu ytterbiumista, rodiumista ja piistä, koska Natelsonin ja Si:n pitkäaikainen yhteistyökumppani, Silke Bühler-Paschen Wienin teknillisestä yliopistosta, oli keksinyt, kuinka materiaalia kasvatetaan vain kymmenien nanometrien paksuisissa kalvoissa. Se hoiti yhden tilaulottuvuuden.

Chen joutui sitten miettimään, kuinka ottaa ne kalvot ja leikata lanka, jonka pituus ja leveys on vain nanometriä.

Noin vuoden aikana Chen testasi erilaisia ​​tapoja murskata metallia tehokkaasti hiekkapuhalluksella atomeilla. Mutta kokeilu toisensa jälkeen hän havaitsi, että tuloksena olevat nanolangat kärsivät atomimittakaavaisia ​​vaurioita, jotka tuhosivat omituisen metallin ominaisen lineaarisen vastuksen. Kymmenien yritysten jälkeen hän päätyi prosessiin, joka toimi: hän pinnoitti metallin kromilla, käytti argonkaasuvirtaa puhaltaakseen pois kromilla suojatun omituisen metallin ohuen viivan lukuun ottamatta, minkä jälkeen hän riisui kromin pois kylvyllä. suolahaposta.

Keväällä menestyksekkäästi tohtorin tutkinnon suorittanut Chen, joka on sittemmin mennyt töihin rahoitusalalla, loi lopulta kourallisen lähes virheettömiä nanolankoja. Jokainen niistä oli noin 600 nanometriä pitkä ja 200 nanometriä leveä – noin 50 kertaa kapeampi kuin punasolu.

Jäähdytettyään ne kylmiin, yksinumeroisiin Kelvin-lämpötiloihin, tutkijat juoksivat sähkövirtaa outojen metallisten nanolankojen läpi. Ne kuljettivat myös virtaa tavallisesta kullasta valmistettujen nanolankojen läpi. Kultalangan virta rätisi tuttuun tapaan, kuten varautuneista kvasihiukkasista tehdyt virrat tekevät – kuten rasvaiset sadepisarat roiskumassa auton katolle. Mutta oudossa metallissa virta liukasi hiljaa nanolangan läpi, mikä muistuttaa lähes hiljaista sumun suhinaa. Kokeen yksinkertaisin tulkinta on, että tämän oudon metallin varaus ei virtaa elektronin kokoisina paloina.

"Kokeelliset tiedot tarjoavat vahvaa näyttöä siitä, että kvasihiukkaset ovat kadonneet oudossa metallissa", Si sanoi.

Kaikki fyysikot eivät kuitenkaan ole täysin vakuuttuneita siitä, että koe tappaa Landaun kvasihiukkaset. "Se on erittäin rohkea väite", sanoi Brad Ramshaw, fyysikko Cornellin yliopistossa. "Tarvitset siis rohkeita tietoja."

Yksi kokeen rajoituksista on, että ryhmä testasi vain yhtä materiaalia. Vain siksi, että Chenin ytterbiumin, rodiumin ja piin sekoituksessa laukausmelu on alhainen, se ei takaa sen vähäisyyttä muissa oudoissa metalleissa. Ja kertaluonteinen poikkeama voidaan aina katsoa johtuvan jostain huonosti ymmärretystä materiaalin yksityiskohdasta.

Ramshaw huomautti myös, että metallit soivat kaikenlaisten kanssa outoja värähtelyjä joka saattaa vääristää laukauksen melua virrassa. Chen ja hänen kollegansa sulkivat pois yleisemmän värähtelyn aiheuttaman häiriön, mutta on mahdollista, että jokin eksoottinen aaltoilu vältti heidän huomionsa.

Siitä huolimatta Ramshaw pitää koetta vakuuttavana. "Se motivoi ihmisiä voimakkaasti yrittämään tehdä muita asioita nähdäkseen, ovatko ne myös johdonmukaisia ​​elektronien kanssa", hän sanoi.

Jos ei elektroneja, niin mitä sitten?

Jos kvasipartikkelikuva murenee edelleen, mikä voisi korvata sen? Kuinka virta liikkuu outojen metallien ympärillä, ellei elektronin kaltaisissa varauslohkoissa? Tilannetta ei ole helppo kuvailla, saati vielä vähemmän tarkkojen matemaattisten termien avulla. "Mikä on oikea sanasto käytettäväksi", Natelson sanoi, "jos et aio puhua kvasihiukkasista?"

Kun niitä painetaan, fyysikot vastaavat tähän kysymykseen metaforien värinä siitä, mitä tapahtuu, kun yksittäiset elektronit katoavat: Ne sulautuvat sotkeutuneeksi kvanttikeitoksi; ne jähmettyvät hyytelöksi; ne muodostavat vaahtoavan latauksen sotkun ympäriinsä. Philip Phillips Urbana-Champaign vertaa oudon metallin elektroneja renkaan kumiin. Kun kumi tulee ulos puusta, sen molekyylit asettuvat riviin yksittäisissä sarjoissa. Mutta vulkanointiprosessin aikana nämä nauhat muuttuvat lujaksi verkoksi. Yksilökokoelmasta syntyy uusi aine. "Saat jotain, joka on suurempi kuin osiensa summa", hän sanoi. "Elektroneilla itsessään ei ole eheyttä."

Ylittääkseen epämääräisiä kuvauksia syntymisestä fyysikot tarvitsevat tarkan matemaattisen kuvauksen - vielä löytämättömän Fermin nesteteorian outoille metalleille. Sachdev auttoi kehittämään yhtä yksinkertaista ehdokasta, SYK-mallia, 1990-luvun alussa. Se sai lineaarisen resistanssin oikein, mutta sillä ei ollut mitään tekemistä todellisten materiaalien kanssa, jotka oli valmistettu todellisesta atomiverkosta. Ensinnäkin siinä ei ollut tilaa; kaikki elektronit istuvat yhdessä pisteessä, jossa ne ovat satunnaisesti vuorovaikutuksessa ja kietoutuvat kaikkiin muihin elektroneihin.

Parin viime vuoden aikana Sachdev, Aavishkar Patel Flatiron Institute, ja heidän yhteistyökumppaninsa ovat työskennelleet tuovat tilaa SYK-malliin. Ne levittävät elektronien vuorovaikutuksia avaruuden poikki ottamalla huomioon atomihilan vikojen vaikutukset - kohdat, joissa atomeja on kadonnut tai ylimääräisiä atomeja on ilmaantunut. Tämä atomien epätäydellisyyksien pölyäminen aiheuttaa satunnaisia ​​vaihteluita siinä, kuinka elektroniparit ovat vuorovaikutuksessa ja sotkeutuvat toisiinsa. Tuloksena kietoutuneista elektroneista koostuvalla kuvakudoksella on lineaarisesti kasvava resistanssi - omituisen metallin tunnusmerkki. He käyttivät äskettäin kehyksiään laskea laukauksen melua yhtä hyvin. Luvut eivät aivan vastaa Chenin havaintoja, mutta ne muodostavat saman laadullisen kuvion. "Kaikki trendit ovat oikein", Sachdev sanoi.

Muut tutkijat korostavat, että teoreettinen tilanne pysyy muuttumattomana – joillekin ei ole selvää, voisivatko toisistaan ​​eroavat materiaalit, kuten grafeenilevyt ja kupraattisuprajohteet, jakaa riittävän samanlaisia ​​puutteita tuottaakseen yhteiset omituiset metalliominaisuudet. Sachdevin ja Patelin teorian vaatimalla tavalla. Ja vaihtoehtoisia teorioita on runsaasti. Esimerkiksi Phillips epäilee, että omituiset metallit vaativat sähkömagnetismin uusi muoto joka ei ole riippuvainen kokonaisista elektroneista. Si ja Bühler-Paschen ovat puolestaan ​​viettäneet lähes 20 vuotta kehittää ja tutkia a teoria kuinka kvasihiukkaset liukenevat, kun järjestelmä on "kvanttikriittinen piste”, jossa kaksi erilaista kvanttimekaanista tilaa kamppailee voitosta. Laukauskohinakokeessa he toivat nanojohdonsa juuri sellaiseen kriittiseen pisteeseen.

Vaikka fyysikot eivät vielä ole yksimielisiä siitä, miksi sähkövaraukset näyttävät liukenevan outojen metallien sisällä tai vaikka ne todella liukenevatkin, he ovat päättäneet selvittää asian.

"Jos todella ajattelemme, että siellä on kokonainen metalliluokka, jota emme ymmärrä", Natelson sanoi, "on tärkeää ymmärtää ne."

Toimittajan huomautus: Flatiron-instituuttia rahoittaa Simons Foundation, joka rahoittaa myös tätä toimituksellisesti riippumatonta lehteä. Flatiron Institutella tai Simons Foundationilla ei ole vaikutusta kattavuuteemme. Lisätietoja saatavilla tätä.

Quanta tekee sarjan kyselyjä palvellakseen paremmin yleisöämme. Ota meidän fysiikan lukijakysely ja pääset mukaan voittamaan ilmaiseksi Quanta kauppatavaraa.