Ismerje meg a furcsa fémeket: Ahol áramolhat az elektromosság elektronok nélkül | Quanta Magazin

Egy év próbálkozás és hiba után Liyang Chennek sikerült lefaragnia egy fémhuzalt egy mikroszkopikus szálra, amelynek szélessége fele volt E.coli baktérium – éppen elég vékony ahhoz, hogy elektromos áram áthaladjon rajta. Chen reményei szerint ennek az áramnak a cseppjei segíthetnek megoldani egy makacs rejtélyt arról, hogy a töltés hogyan mozog a furcsa fémeknek nevezett anyagok megdöbbentő osztályán.

Chen, aki akkor még végzős hallgató volt, és munkatársai a Rice Egyetemen megmérték az atomokon átfolyó áramot – vékony fémszálon. És azt találták, hogy simán és egyenletesen folyik. Valójában olyan egyenletesen, hogy dacolt a fizikusok szabványos elképzelésével a fémek elektromosságáról.

Kanonikusan az elektromos áram az elektronok kollektív mozgásából származik, amelyek mindegyike egy oszthatatlan elektromos töltésdarabot hordoz. De Chen áramának halott állandósága azt sugallta, hogy egyáltalán nem egységekből áll. Olyan volt, mintha egy folyadékot találnánk, amelyből valahogy hiányoztak az egyénileg felismerhető molekulák.

Bár ez furcsán hangzik, egyes fizikusok pontosan ezt várták a csoport által tesztelt fémtől, amely szokatlan rokonaival együtt az 1980-as évek óta elkápráztatta és megzavarta a fizikusokat. „Ez egy nagyon szép alkotás” – mondta Subir Sachdev, a Harvard Egyetem elméleti fizikusa, aki különös fémekre specializálódott.

A megfigyelés, számolt be a múlt héten a folyóiratban Tudomány, az egyik legegyértelműbb jele annak, hogy bármi áramot visz át ezeken a szokatlan fémeken, az nem hasonlít elektronokhoz. Az új kísérlet megerősíti azt a gyanút, hogy új kvantumjelenség keletkezik furcsa fémekben. Ezenkívül új őrleményt nyújt az elméleti fizikusok számára, akik megpróbálják megérteni, mi lehet ez. 

„Furcsa fémek, senkinek sincs földi fogalma, honnan származnak” – mondta Peter Abbamonte, az Illinoisi Egyetem fizikusa, Urbana-Champaign. „Régebben kellemetlenségnek számított, de most már rájöttünk, hogy valójában az anyag egy másik fázisa él ezekben a dolgokban.”

Cuprate csavarkulcs

A fémek hagyományos megértésének első kihívása 1986-ban jelent meg, amikor Georg Bednorz és Karl Alex Müller megrázta a fizika világát a magas hőmérsékletű szupravezetők felfedezésével – olyan anyagokkal, amelyek még viszonylag meleg hőmérsékleten is tökéletesen továbbítják az elektromos áramot. Az olyan ismert fémek, mint az ón és a higany, csak akkor válnak szupravezetővé, ha az abszolút nullához képest néhány fokon belülre lehűtik. Bednorz és Müller megmérték az elektromos ellenállást egy réz alapú („cuprate”) anyagban, és azt látták, hogy az viszonylag lágy 35 kelvinnél eltűnt. (Áttörő felfedezésükért Bednorz és Müller mindössze egy évvel később Nobel-díjat zsebelt be.)

A fizikusok hamar rájöttek, hogy a magas hőmérsékletű szupravezetés csak a kezdete volt a kuprátok titokzatos viselkedésének.

A kuprátok nagyon furcsák lettek, amikor abbahagyták a szupravezetést és elkezdtek ellenállni. Ahogy minden fém felmelegszik, az ellenállás növekszik. A melegebb hőmérséklet azt jelenti, hogy az atomok és az elektronok jobban ingadoznak, több ellenállást kiváltó ütközést okozva, amikor az elektronok áramot vezetnek át egy anyagon. A normál fémekben, például a nikkelben, az ellenállás négyzetesen megnövekszik alacsony hőmérsékleten – először lassan, majd egyre gyorsabban. De a kuprátok esetében ez lineárisan emelkedett: minden egyes fokozatú felmelegedés ugyanolyan növekedést hozott az ellenállásban – ez a bizarr mintázat, amely több száz fokon át is folytatódott, és a furcsaságok tekintetében beárnyékolta az anyag szupravezető képességét. A kuprátok voltak a legfurcsább fémek, amelyeket a kutatók valaha is láttak.

„A szupravezetés egy egér” – mondta Andrej Csubukov, a Minnesotai Egyetem elméleti fizikusa. – Az elefánt… ez a furcsa fémviselkedés.

Az ellenállás lineáris emelkedése azzal fenyegetett, hogy az elektromos töltés hogyan halad át a fémeken, ünnepelt magyarázattal. Lev Landau 1956-ban javasolt „Fermi folyadék” elmélete az elektronokat helyezte a középpontba. Korábbi elméletekre épített, amelyek az egyszerűség kedvéért azt feltételezték, hogy az elektronok elektromos áramot hordoznak, és az elektronok gázként mozognak a fémen; szabadon repülnek az atomok között anélkül, hogy kölcsönhatásba lépnének egymással.

Landau hozzáadott egy módot az elektronok kölcsönhatásának döntő, de bonyolult tényének kezelésére. Negatív töltésűek, ami azt jelenti, hogy folyamatosan taszítják egymást. Figyelembe véve, hogy a részecskék közötti kölcsönhatás az elektrongázt valamiféle óceánná alakította át – most, amikor az egyik elektron áthaladt az elektronok folyadékán, megzavarta a közeli elektronokat. A kölcsönös taszítással járó bonyolult kölcsönhatás-sorozat révén ezek a most finoman kölcsönhatásba lépő elektronok tömegekben – kvázirészecskékként ismert csomókban – utaztak.

A Fermi folyadékelmélet csodája az volt, hogy minden kvázirészecske szinte pontosan úgy viselkedett, mintha egyetlen alapvető elektron lenne. Az egyik fő különbség azonban az volt, hogy ezek a foltok lassabban vagy fürgébben mozogtak (az anyagtól függően), mint egy csupasz elektron, gyakorlatilag nehezebben vagy könnyebben hatnak. Már csak az egyenleteikben szereplő tömegtagok beállításával a fizikusok továbbra is az áramot az elektronok mozgásaként kezelhetik, csak egy csillaggal, amely azt jelzi, hogy minden elektron valójában kvázirészecske-csomó.

A Landau-váz egyik fő diadala az volt, hogy normál fémeknél azt a bonyolult módot szögezte le, ahogyan az ellenállás négyzetesen emelkedik a hőmérséklettel. Az elektronszerű kvázirészecskék a fémek megértésének standard módszereivé váltak. „Minden tankönyvben benne van” – mondta Sachdev.

De a kuprában Landau elmélete drámai kudarcot vallott. Az ellenállás egy makulátlan vonalban nőtt, nem pedig a szokásos másodfokú görbén. A fizikusok régóta úgy értelmezték ezt a vonalat, mint annak jelét, hogy a kuprátok egy új fizikai jelenségnek adnak otthont.

"Nagyjából el kell hinned, hogy a természet vagy nyomot ad, vagy a természet hihetetlenül kegyetlen" Gregory Boebinger, a Floridai Állami Egyetem fizikusa, aki karrierje nagy részét a kuprátok lineáris reakciójának tanulmányozásával töltötte. „Egy ilyen rettenetesen egyszerű és elbűvölő aláírást feltenni, és nem lenne fizikailag fontos, túl sok lenne elviselni.”

A cuprates pedig csak a kezdet volt. A kutatók azóta felfedezték a sokféle anyag ugyanazzal a vonzó lineáris ellenállással, beleértve a szerves „Bechgaard-sókat” és a rosszul beállított grafénlapokat. Ahogy ezek a „furcsa fémek” elszaporodtak, a tudósok azon töprengtek, miért tűnt úgy, hogy Landau Fermi-féle folyadékelmélete tönkremegy ezekben a különféle anyagokban. Néhányan azt gyanították, hogy ez azért van, mert egyáltalán nem voltak kvázirészecskék; az elektronok valahogy új, különös módon szerveződtek, ami elfedte az egyéniséget, éppúgy, mint ahogy a szőlő diszkrét természete elveszik egy üveg borban.

„Ez az anyag olyan fázisa, ahol az elektronnak valójában nincs azonossága” – mondta Abbamonte. „Mindazonáltal [egy furcsa fém] fém; valahogy áramot visz."

De az ember nem egyszerűen eltörli az elektronokat. Egyes tudósok szerint a potenciálisan folytonos elektromos áram – amely nem oszlik fel elektronokra – túl radikális. És néhány furcsa fémkísérlet továbbra is megfelelnek Landau elméletének bizonyos előrejelzéseinek. A továbbra is fennálló vita arra késztette Chen szakdolgozati tanácsadóját, Douglas Natelson a Rice Egyetemen, kollégájával együtt Qimiao Si, hogy megvizsgálják, hogyan vizsgálhatnák közvetlenebben a furcsa fémen áthaladó töltés anatómiáját.

„Mit tudnék mérni, ami valójában megmondaná, mi történik?” – tűnődött Natelson.

Az elektromosság anatómiája

A csapat célja az volt, hogy egy furcsa fémben felbontsa az áramlatot. Elektronméretű töltésdarabokban érkezett? Egyáltalán darabokban jött? Ennek kiderítéséhez ihletet merítettek az áramlás ingadozásainak mérésének klasszikus módszeréből – a „lövészajból” –, amely jelenség megérthető, ha arra gondolunk, hogyan hullhat eső esőzés közben.

Képzelje el, hogy az autójában ül, és egy megbízható időjárás-előrejelzésből tudja, hogy a következő órában 5 milliméter eső fog esni. Ez az 5 milliméter olyan, mint a teljes elektromos áram. Ha ezt az esőt egy maroknyi óriáscseppbe osztják fel, akkor nagy lesz a változás, amikor ezek a cseppek megcsapják a tetőt; Néha a cseppek egymásnak fröcskölnek, máskor pedig eltávolodnak egymástól. Ebben az esetben a felvételi zaj magas. De ha ugyanazt az 5 milliméteres esőt apró cseppekből álló állandó ködbe szórja szét, az érkezési idő változása – és ezzel együtt a lövészaj is – csekély lesz. A köd pillanatról pillanatra simán szállít majdnem ugyanannyi vizet. Ily módon a lövészaj felfedi a cseppek méretét.

„Csak a víz megjelenési sebességének mérése nem mutatja meg a teljes képet” – mondta Natelson. "Az ingadozások mérése [ebben az árfolyamban] sokkal többet mond."

Hasonlóképpen, ha hallgatja az elektromos áram recsegését, akkor megtudhatja az azt alkotó töltésdarabokról. Ezek a darabok általában Landau elektronszerű kvázirészecskéi. Valójában a lövés zajának normál fémben történő rögzítése az elektron alapvető töltésének – 1.6 × 10 – mérésének általános módja.^-19 coulombok.

Ahhoz, hogy egy furcsa fém áramlatának szívébe jussunk, a csapat lövészajt akart mérni. Az elektronikus lövészaj azonban elfedhető, ha az elektronokat a fém atomrácsában lévő hullámok lökdösik. A zűrzavar elkerülése érdekében a kutatók olyan rövid vezetékeken vezetik az áramot, hogy a hullámzásnak nincs ideje befolyásolni az elektronokat. Ezeknek a vezetékeknek nanoszkopikus léptékűeknek kell lenniük.

A csoport úgy döntött, hogy egy különös, itterbiumból, ródiumból és szilíciumból készült fémmel dolgozik, mert Natelson és Si régi munkatársa, Silke Bühler-Paschen A Bécsi Műszaki Egyetem munkatársa kidolgozta, hogyan lehet az anyagot több tucat nanométer vastag fóliában növeszteni. Ez egy térbeli dimenzióról gondoskodott.

Ezután Chennek kellett kitalálnia, hogyan kell kivenni a filmeket, és kivágni egy csupán nanométer hosszúságú és szélességű drótot.

Körülbelül egy év leforgása alatt Chen különböző módszereket tesztelt a fém lefaragására azáltal, hogy atomokkal hatékonyan homokfújja. A kísérletek során azonban azt találta, hogy az így létrejött nanovezetékek atomi léptékű károsodást szenvedtek, ami tönkretette a furcsa fém jellegzetes lineáris ellenállását. Több tucat próbálkozás után egy olyan folyamathoz jutott, amely működött: krómmal bevonta a fémet, argongáz árammal kifújta a krómvédett furcsa fém vékony vonalát kivéve, majd fürdővel eltávolította a krómot. sósavból.

Végül Chen, aki tavasszal sikeresen doktorált, és azóta pénzügyi területen dolgozott, egy maroknyi, szinte hibátlan nanovezetéket készített. Mindegyik nagyjából 600 nanométer hosszú és 200 nanométer széles volt – körülbelül 50-szer keskenyebb, mint egy vörösvérsejt.

Miután hideg, egyszámjegyű Kelvin hőmérsékletre hűtötték őket, a kutatók elektromos áramot vezettek át a furcsa fém nanovezetékeken. Az áramot normál aranyból készült nanovezetékeken is vezették. Az arany vezetékben az áram a megszokott módon recsegett, mint a töltött kvázirészecskékből álló áramok – mint a kocsi tetején fröccsenő kövér esőcseppek. De a furcsa fémben az áram csendesen átsuhant a nanovezetéken, ez a hatás a köd szinte csendes sziszegéséhez hasonlított. A kísérlet legegyszerűbb értelmezése az, hogy ebben a furcsa fémben a töltés nem elektronméretű darabokban folyik.

"A kísérleti adatok erős bizonyítékot szolgáltatnak arra, hogy a kvázi részecskék elvesznek a furcsa fémben" - mondta Si.

Nem minden fizikus azonban teljesen meg van győződve arról, hogy a kísérlet megöli Landau kvázirészecskéit. "Ez egy nagyon merész állítás" - mondta Brad Ramshaw, a Cornell Egyetem fizikusa. – Szóval félkövér adatokra van szükséged.

A kísérlet egyik korlátja, hogy a csoport csak egy anyagot tesztelt. Csak azért, mert Chen itterbium, ródium és szilícium keverékében alacsony a lövészaj, ez nem garantálja, hogy más furcsa fémekben is alacsony. És egy egyszeri anomália mindig betudható az adott anyag néhány rosszul értelmezett részletének.

Ramshaw arra is rámutatott, hogy a fémek mindenféleképpen csengenek furcsa rezgések ami torzíthatja a felvétel zaját az áramban. Chen és kollégái kizárták a gyakoribb rezgések okozta interferenciát, de lehetséges, hogy valami egzotikus hullám elkerülte a figyelmüket.

Ennek ellenére Ramshaw meggyőzőnek találja a kísérletet. "Erősen motiválja az embereket, hogy megpróbáljanak más dolgokat csinálni, hogy megnézzék, konzisztensek-e az elektronok hiányával is" - mondta.

Ha nem elektronok, akkor mi van?

Ha a kvázi részecskekép továbbra is omlik, mi helyettesítheti? Hogyan mozog az áram furcsa fémek körül, ha nem elektronszerű töltésrészekben? Ezt a helyzetet nem könnyű leírni, még kevésbé pontos matematikai kifejezésekkel leírni. – Mi a megfelelő szókincs – mondta Natelson –, ha nem a kvázirészecskékről akar beszélni?

Ha megnyomják, a fizikusok metaforák remegésével válaszolnak erre a kérdésre arra vonatkozóan, hogy mi jelenik meg, amikor az egyes elektronok eltűnnek: összegabalyodnak egy kvantumlevesbe; kocsonyává dermednek; habzó töltészavart képeznek, csapkodva. Philip Phillips Az Urbana-Champaign egy furcsa fém elektronjait a gumiabroncsban lévő gumihoz hasonlítja. Amikor a gumi kikerül a fából, annak molekulái egyedi húrokban sorakoznak fel. De a vulkanizálási folyamat során ezek a húrok masszív hálóvá alakulnak. Az egyének gyűjteményéből új anyag bukkan fel. „Olyan dolgot kap, ami nagyobb, mint a részek összege” – mondta. "Maguknak az elektronoknak nincs integritásuk."

Ahhoz, hogy túllépjenek a keletkezés homályos leírásain, a fizikusoknak pontos matematikai leírásra van szükségük – egy még fel nem fedezett Fermi-folyadék-elméletre a furcsa fémekre. Sachdev az 1990-es évek elején segített kidolgozni egy leegyszerűsített jelöltet, a SYK-modellt. A lineáris ellenállás megfelelő volt, de semmi köze nem volt a valódi atomrácsból készült valódi anyagokhoz. Egyrészt nem volt benne hely; minden elektron egyetlen ponton ül, ahol véletlenszerűen kölcsönhatásba lépnek, és összegabalyodnak az összes többi elektronnal.

Az elmúlt néhány évben Sachdev, Aavishkar Patel a Flatiron Intézet munkatársai, és munkatársaik dolgoznak ezen teret hozva a SYK modellbe. Az elektronok kölcsönhatásait terjesztik az űrben, figyelembe véve az atomrács hibáinak hatásait – azokat a pontokat, ahol az atomok eltűntek, vagy extra atomok jelentek meg. Az atomi tökéletlenségeknek ez a porzása véletlenszerű eltéréseket okoz az elektronpárok kölcsönhatásában és összefonódásában. Az így létrejövő, összegabalyodott elektronokból álló kárpit lineárisan növekvő ellenállással rendelkezik – ez egy furcsa fém ismertetőjele. Nemrég használták a keretüket a lövészaj kiszámításához is. A számok nem egészen egyeznek Chen megfigyeléseivel, de ugyanazt a minőségi mintát alkotják. „Minden tendencia helyes” – mondta Sachdev.

Más kutatók hangsúlyozzák, hogy az elméleti helyzet változékony – egyesek számára nem világos, hogy az egymástól annyira elkülönülő anyagok, mint a grafénlapok és a kuprát szupravezetők, megoszthatnak-e elég hasonló hibákat ahhoz, hogy a közös furcsa fémtulajdonságokat létrehozzák-e. Sachdev és Patel elmélete által megkövetelt módon. És az alternatív elméletek bővelkednek. Phillips például azt gyanítja, hogy furcsa fémekre van szükség az elektromágnesesség kialakulóban lévő formája ami nem támaszkodik teljes elektronokra. Si és Bühler-Paschen eközben csaknem 20 évet töltött fejlesztése és feltárása a elmélet hogyan oldódnak fel a kvázi részecskék, amikor egy rendszer egy "kvantumkritikus pont”, ahol két különböző kvantummechanikai állapot küzd a fölényért. A lövészaj kísérlet során nanovezetékeiket éppen ilyen kritikus pontra hozták.

Bár a fizikusok még nem értenek egyet abban, hogy az elektromos töltések miért oldódnak fel furcsa fémekben, vagy ha valóban feloldódnak, elhatározzák, hogy kiderítik.

"Ha tényleg azt gondoljuk, hogy létezik egy egész fémkategória, amit nem értünk" - mondta Natelson -, akkor fontos megértenünk ezeket.

A szerkesztő megjegyzése: A Flatiron Intézetet a Simons Alapítvány finanszírozza, amely szintén finanszírozza ezt a szerkesztőileg független magazint. Sem a Flatiron Intézetnek, sem a Simons Alapítványnak nincs befolyása a tudósításunkra. További információ elérhető itt.

Quanta felméréssorozatot végez közönségünk jobb kiszolgálása érdekében. Vidd a miénket fizika olvasói felmérés és ingyenesen nyerhetsz Quanta áru.