Temui Logam Aneh: Dimana Listrik Dapat Mengalir Tanpa Elektron | Majalah Kuanta

Setelah satu tahun percobaan dan kesalahan, Liyang Chen berhasil mereduksi kawat logam menjadi untaian mikroskopis setengah lebarnya. E.coli bakteri — cukup tipis untuk memungkinkan aliran arus listrik melewatinya. Tetesan arus tersebut, Chen berharap, dapat membantu menyelesaikan misteri yang masih ada tentang bagaimana muatan bergerak melalui kelas material membingungkan yang dikenal sebagai logam aneh.

Chen, yang saat itu adalah seorang mahasiswa pascasarjana, dan kolaboratornya di Universitas Rice mengukur arus yang mengalir melalui untaian logam setipis atom mereka. Dan mereka menemukan bahwa alirannya lancar dan merata. Faktanya, hal ini sangat merata sehingga bertentangan dengan konsepsi standar fisikawan tentang listrik dalam logam.

Secara umum, arus listrik dihasilkan dari pergerakan kolektif elektron, yang masing-masing membawa satu bongkahan muatan listrik yang tidak dapat dibagi-bagi. Tapi kestabilan arus Chen menyiratkan bahwa arus itu tidak terbuat dari unit sama sekali. Rasanya seperti menemukan cairan yang tidak memiliki molekul yang dapat dikenali secara individual.

Meskipun hal ini mungkin terdengar aneh, namun itulah yang diharapkan beberapa fisikawan dari logam yang diuji oleh kelompok tersebut, yang bersama dengan sejenisnya yang tidak biasa, telah memperdaya dan membingungkan para fisikawan sejak tahun 1980-an. “Ini adalah karya yang sangat indah,” katanya Subir Sachdev, seorang ahli fisika teoretis di Universitas Harvard yang berspesialisasi dalam logam aneh.

Pengamatan, melaporkan minggu lalu dalam jurnal Ilmu, adalah salah satu indikasi paling jelas bahwa apa pun yang membawa arus melalui logam yang tidak biasa ini tidak terlihat seperti elektron. Eksperimen baru ini memperkuat kecurigaan bahwa fenomena kuantum baru muncul di dalam logam aneh. Hal ini juga memberikan landasan baru bagi fisikawan teoretis yang mencoba memahami apa yang mungkin terjadi. 

“Logam aneh, tak seorang pun tahu dari mana asalnya,” kata Peter Abbamonte, seorang fisikawan di Universitas Illinois, Urbana-Champaign. “Dulu hal ini dianggap sebagai ketidaknyamanan, namun sekarang kami menyadari bahwa sebenarnya ada fase berbeda dari materi yang hidup di benda-benda ini.”

Kunci Pas Cuprate

Tantangan pertama terhadap pemahaman konvensional tentang logam muncul pada tahun 1986, ketika Georg Bednorz dan Karl Alex Müller mengguncang dunia fisika dengan penemuan superkonduktor bersuhu tinggi — bahan yang mampu mengalirkan arus listrik dengan sempurna bahkan pada suhu yang relatif hangat. Logam yang sudah dikenal seperti timah dan merkuri menjadi superkonduktor hanya jika didinginkan hingga beberapa derajat di bawah nol mutlak. Bednorz dan Müller mengukur hambatan listrik pada bahan berbasis tembaga (“cuprate”) dan melihat bahwa hambatan listrik tersebut menghilang pada suhu yang relatif nyaman yaitu 35 kelvin. (Atas penemuan terobosan mereka, Bednorz dan Müller mengantongi Hadiah Nobel setahun kemudian.)

Fisikawan segera menyadari bahwa superkonduktivitas suhu tinggi hanyalah awal dari perilaku misterius para cuprates.

Cuprate menjadi sangat aneh ketika mereka berhenti melakukan superkonduktor dan mulai menolak. Saat semua logam memanas, resistensi meningkat. Temperatur yang lebih hangat berarti atom dan elektron lebih banyak bergoncang, menciptakan lebih banyak resistensi yang memicu tumbukan ketika elektron mengalirkan arus melalui suatu material. Pada logam normal, seperti nikel, resistansi meningkat secara kuadrat pada suhu rendah – awalnya perlahan dan kemudian semakin cepat. Namun pada kuprat, resistensi meningkat secara linier: Setiap derajat pemanasan menghasilkan peningkatan resistensi yang sama – sebuah pola aneh yang berlanjut hingga ratusan derajat dan, dalam hal keanehan, menutupi kemampuan superkonduktor material tersebut. Cuprates adalah logam teraneh yang pernah dilihat para peneliti.

“Superkonduktivitas adalah seekor tikus,” kata Andrey Chubukov, seorang ahli fisika teoretis di Universitas Minnesota. “Gajah… apakah ini perilaku logam yang aneh.”

Peningkatan resistensi secara linier mengancam penjelasan terkenal tentang bagaimana muatan listrik bergerak melalui logam. Diusulkan pada tahun 1956, teori “cairan Fermi” Lev Landau menempatkan elektron sebagai pusat dari semuanya. Hal ini didasarkan pada teori sebelumnya yang, untuk menyederhanakan, mengasumsikan bahwa elektron membawa arus listrik, dan elektron bergerak melalui logam seperti gas; mereka terbang bebas antar atom tanpa berinteraksi satu sama lain.

Landau menambahkan cara untuk menangani fakta penting namun rumit bahwa elektron berinteraksi. Mereka bermuatan negatif, yang berarti mereka terus-menerus menolak satu sama lain. Mengingat interaksi antara partikel-partikel ini mengubah gas elektron menjadi lautan — sekarang, ketika satu elektron bergerak melalui cairan elektron, hal itu mengganggu elektron di dekatnya. Melalui serangkaian interaksi rumit yang melibatkan tolakan timbal balik, elektron-elektron yang sekarang berinteraksi dengan lembut ini akhirnya bergerak dalam kerumunan – dalam gumpalan yang dikenal sebagai kuasipartikel.

Keajaiban teori cair Fermi adalah bahwa setiap kuasipartikel berperilaku hampir persis seperti sebuah elektron fundamental. Namun, satu perbedaan besar adalah bahwa gumpalan-gumpalan ini bergerak lebih lambat atau lebih gesit (tergantung pada materialnya) dibandingkan elektron telanjang, sehingga secara efektif bertindak lebih berat atau lebih ringan. Sekarang, hanya dengan menyesuaikan suku massa dalam persamaannya, fisikawan dapat terus menganggap arus sebagai pergerakan elektron, hanya dengan tanda bintang yang menyatakan bahwa setiap elektron benar-benar merupakan rumpun kuasipartikel.

Kemenangan besar kerangka Landau adalah bahwa pada logam normal, ia berhasil menemukan cara rumit di mana resistansi meningkat secara kuadrat seiring dengan kenaikan suhu. Partikel kuasi mirip elektron menjadi cara standar untuk memahami logam. “Itu ada di setiap buku pelajaran,” kata Sachdev.

Namun dalam kuprat, teori Landau gagal total. Resistensi meningkat dalam garis yang rapi dan bukan dalam kurva kuadrat standar. Fisikawan telah lama menafsirkan garis ini sebagai tanda bahwa cuprate adalah rumah bagi fenomena fisik baru.

“Anda harus percaya bahwa alam memberi Anda petunjuk atau alam itu sangat kejam,” katanya Gregory Boeinger, seorang fisikawan di Florida State University yang menghabiskan sebagian besar karirnya mempelajari respons linier cuprates. “Membubuhkan tanda tangan yang sangat sederhana dan menawan dan tidak menganggapnya penting secara fisik akan sangat berat untuk ditanggung.”

Dan cuprate hanyalah permulaan. Para peneliti telah menemukan a tuan rumah dari bahan yang berbeda dengan ketahanan linier yang sama memikatnya, termasuk “garam Bechgaard” organik dan lembaran graphene yang tidak sejajar. Ketika “logam-logam aneh” ini berkembang biak, para ilmuwan bertanya-tanya mengapa teori fluida Fermi Landau tampaknya tidak berlaku pada semua material yang berbeda ini. Beberapa orang menduga hal ini disebabkan karena tidak adanya kuasipartikel sama sekali; elektron-elektron itu entah bagaimana mengatur diri mereka sendiri dengan cara baru yang aneh sehingga mengaburkan individualitas apa pun, seperti halnya sifat diskrit anggur yang hilang dalam sebotol anggur.

“Ini adalah fase materi di mana elektron benar-benar tidak memiliki identitas,” kata Abbamonte. “Meskipun demikian, [logam aneh] adalah logam; entah bagaimana ia membawa arus.”

Namun kita tidak bisa begitu saja menghilangkan elektron. Bagi beberapa ilmuwan, potensi arus listrik yang kontinu – arus listrik yang tidak terbagi menjadi elektron – terlalu radikal. Dan beberapa eksperimen logam yang aneh terus mencocokkan prediksi tertentu dari teori Landau. Kontroversi yang terus berlanjut mendorong pembimbing tesis Chen, Douglas Natelson dari Rice University, bersama rekannya Qimiao Si, untuk mempertimbangkan bagaimana mereka dapat mengamati secara lebih langsung anatomi muatan yang bergerak melalui logam aneh.

“Apa yang dapat saya ukur sehingga dapat memberi tahu saya apa yang sedang terjadi?” Natelson bertanya-tanya.

Anatomi Listrik

Tujuan tim adalah membedah arus pada logam aneh. Apakah muatannya berukuran elektron? Apakah itu datang dalam potongan-potongan? Untuk mengetahuinya, mereka mengambil inspirasi dari cara klasik mengukur fluktuasi aliran – “suara tembakan” – sebuah fenomena yang dapat dipahami jika kita memikirkan kemungkinan turunnya hujan saat terjadi badai.

Bayangkan Anda sedang duduk di dalam mobil, dan Anda mengetahui dari ramalan cuaca yang dapat dipercaya bahwa curah hujan sebesar 5 milimeter akan turun dalam satu jam berikutnya. 5 milimeter itu seperti arus listrik total. Jika hujan tersebut terbagi menjadi beberapa tetesan raksasa, variasi kapan tetesan tersebut mengenai atap Anda akan tinggi; terkadang tetesannya akan berceceran secara berurutan, dan di lain waktu tetesan tersebut akan berhamburan. Dalam hal ini, noise tembakannya tinggi. Namun jika curah hujan 5 milimeter yang sama disebarkan ke dalam kabut tetesan kecil yang konstan, variasi waktu tiba — dan juga suara tembakan — akan rendah. Kabut akan dengan lancar mengalirkan jumlah air yang hampir sama dari waktu ke waktu. Dengan cara ini, suara tembakan menunjukkan ukuran tetesannya.

“Hanya mengukur laju kemunculan air tidak memberikan gambaran keseluruhan,” kata Natelson. “Mengukur fluktuasi [dalam tingkat tersebut] memberi tahu Anda lebih banyak hal.”

Demikian pula, mendengarkan derak arus listrik dapat memberi tahu Anda tentang bongkahan muatan yang menyusunnya. Bongkahan tersebut biasanya merupakan kuasipartikel mirip elektron Landau. Memang benar, merekam suara tembakan pada logam normal adalah cara yang umum untuk mengukur muatan dasar elektron — 1.6 × 10^-19 coulomb.

Untuk mengetahui inti arus logam aneh, tim ingin mengukur kebisingan tembakan. Namun suara tembakan elektronik dapat dikaburkan jika elektron didorong oleh riak dalam kisi atom logam. Untuk menghindari ketidakjelasan tersebut, para peneliti mengirimkan arus melalui kabel yang sangat pendek sehingga riaknya tidak mempunyai waktu untuk mempengaruhi elektron. Kabel ini harus berskala nanoskopik.

Kelompok tersebut memilih untuk bekerja dengan logam aneh tertentu yang terbuat dari ytterbium, rhodium, dan silikon karena kolaborator lama Natelson dan Si, Silke Buhler-Paschen dari Universitas Teknologi Wina, telah menemukan cara menumbuhkan material dalam film setebal puluhan nanometer. Itu menangani satu dimensi spasial.

Chen kemudian yang memikirkan cara mengambil film-film itu dan membuat kawat berukuran panjang dan lebar hanya nanometer.

Selama sekitar satu tahun, Chen menguji berbagai cara untuk mengurangi logam dengan cara melakukan sandblasting secara efektif dengan atom. Namun dalam percobaan demi percobaan, ia menemukan bahwa kawat nano yang dihasilkan mengalami kerusakan berskala atom yang menghancurkan karakteristik resistensi linier logam aneh tersebut. Setelah puluhan kali mencoba, dia mendapatkan sebuah proses yang berhasil: Dia melapisi logam tersebut dengan kromium, menggunakan aliran gas argon untuk meledakkan semuanya kecuali garis tipis dari logam aneh yang dilindungi kromium, lalu melepaskan kromium tersebut dengan rendaman. dari asam klorida.

Pada akhirnya, Chen, yang berhasil memperoleh gelar doktor pada musim semi dan mulai bekerja di bidang keuangan, membuat beberapa kawat nano yang nyaris tanpa cacat. Masing-masing berukuran panjang sekitar 600 nanometer dan lebar 200 nanometer – sekitar 50 kali lebih sempit dari sel darah merah.

Setelah mendinginkannya hingga suhu Kelvin satu digit yang sangat dingin, para peneliti mengalirkan arus listrik melalui kawat nano logam yang aneh. Mereka juga mengalirkan arus melalui kawat nano yang terbuat dari emas biasa. Arus pada kawat emas berderak seperti halnya arus yang terbuat dari partikel kuasi bermuatan - seperti tetesan air hujan yang berceceran di atap mobil. Namun pada logam aneh tersebut, arus mengalir perlahan melalui kawat nano, efeknya mirip dengan desisan kabut yang nyaris tanpa suara. Interpretasi paling jelas dari eksperimen ini adalah bahwa muatan dalam logam aneh ini tidak mengalir dalam bongkahan berukuran elektron.

“Data eksperimen memberikan bukti kuat bahwa kuasipartikel hilang dalam logam aneh tersebut,” kata Si.

Namun, tidak semua fisikawan sepenuhnya yakin bahwa eksperimen tersebut membunuh partikel kuasi Landau. “Ini adalah klaim yang sangat berani,” katanya Brad Ramshaw, seorang fisikawan di Cornell University. “Jadi, Anda memerlukan data yang berani.”

Salah satu keterbatasan eksperimen ini adalah kelompok tersebut hanya menguji satu materi. Hanya karena kebisingan tembakan rendah pada campuran ytterbium, rhodium, dan silikon Chen, tidak menjamin bahwa kebisingan tersebut juga rendah pada logam aneh lainnya. Dan anomali yang terjadi satu kali selalu dapat dianggap berasal dari beberapa detail yang kurang dipahami tentang materi tersebut.

Ramshaw juga menunjukkan bahwa logam berdering dengan segala macamnya getaran aneh yang mungkin mendistorsi suara tembakan pada arus. Chen dan rekan-rekannya mengesampingkan gangguan dari getaran yang lebih umum, namun ada kemungkinan bahwa beberapa riak eksotis luput dari perhatian mereka.

Namun demikian, Ramshaw menganggap eksperimen tersebut menarik. “Ini sangat memotivasi orang untuk mencoba melakukan hal lain untuk melihat apakah mereka juga konsisten tanpa elektron,” katanya.

Jika Bukan Elektron Lalu Apa?

Jika gambaran kuasipartikel terus runtuh, apa yang bisa menggantikannya? Bagaimana arus mengalir di sekitar logam aneh jika tidak di dalam paket muatan mirip elektron? Ini bukanlah situasi yang mudah untuk dijelaskan, apalagi diungkapkan dalam istilah matematika yang tepat. “Kosakata apa yang tepat untuk digunakan,” kata Natelson, “jika Anda tidak berbicara tentang partikel semu?”

Jika didesak, fisikawan menjawab pertanyaan ini dengan metafora tentang apa yang muncul ketika elektron individu menghilang: Mereka menyatu menjadi sup kuantum yang terjerat; mereka membeku menjadi jeli; mereka membentuk tumpukan muatan berbusa yang berhamburan. Philip Phillips Urbana-Champaign mengibaratkan elektron logam aneh dengan karet pada ban. Ketika karet keluar dari pohon, molekul-molekulnya tersusun dalam untaian tersendiri. Namun selama proses vulkanisasi, string ini berubah menjadi jaring yang kokoh. Suatu substansi baru muncul dari kumpulan individu. “Anda mendapatkan sesuatu yang lebih besar dari jumlah bagian-bagiannya,” katanya. “Elektron itu sendiri tidak memiliki integritas.”

Untuk melampaui deskripsi kemunculan yang samar-samar, fisikawan memerlukan deskripsi matematis yang tepat — teori fluida Fermi untuk logam aneh yang belum ditemukan. Sachdev membantu mengembangkan satu kandidat sederhana, model SYK, pada awal tahun 1990an. Resistansi liniernya benar, tetapi tidak ada hubungannya sama sekali dengan material nyata yang terbuat dari jaringan atom nyata. Salah satu alasannya adalah karena tidak ada ruang; semua elektron berada pada satu titik di mana mereka berinteraksi secara acak dan terjerat dengan semua elektron lainnya.

Selama beberapa tahun terakhir, Sachdev, Aavishkar Patel dari Flatiron Institute, dan kolaborator mereka telah mengerjakannya membawa ruang ke dalam model SYK. Mereka menyebarkan interaksi elektron ke seluruh ruang dengan mempertimbangkan dampak cacat pada kisi atom – titik di mana atom hilang atau atom tambahan muncul. Debu ketidaksempurnaan atom ini menyebabkan variasi acak dalam cara pasangan elektron berinteraksi dan terjerat. Permadani elektron terjerat yang dihasilkan memiliki resistensi yang meningkat secara linear – ciri khas logam aneh. Mereka baru-baru ini menggunakan kerangka kerja mereka untuk menghitung kebisingan tembakan demikian juga. Jumlahnya tidak sesuai dengan pengamatan Chen, namun membentuk pola kualitatif yang sama. “Semua trennya benar,” kata Sachdev.

Peneliti lain menekankan bahwa situasi teoretisnya masih berubah-ubah - tidak jelas bagi sebagian orang apakah material yang berbeda satu sama lain seperti lembaran graphene dan superkonduktor kuprat semuanya dapat memiliki kelemahan yang cukup mirip untuk menghasilkan sifat logam aneh yang sama pada bahan tersebut. cara yang dibutuhkan oleh teori Sachdev dan Patel. Dan banyak teori alternatif. Phillips, misalnya, mencurigai adanya logam aneh suatu bentuk elektromagnetisme yang muncul yang tidak bergantung pada elektron utuh. Sementara itu, Si dan Bühler-Paschen telah menghabiskan waktu hampir 20 tahun mengembangkan dan mengeksplorasi a teori tentang bagaimana kuasipartikel larut ketika suatu sistem berada pada “titik kritis kuantum,” di mana dua keadaan mekanika kuantum yang berbeda berjuang untuk mendapatkan keunggulan. Dalam percobaan kebisingan tembakan, mereka membawa kawat nano mereka ke titik kritis.

Meskipun fisikawan belum sepakat mengenai mengapa muatan listrik tampak larut di dalam logam aneh, atau bahkan jika muatan listrik benar-benar larut, mereka bertekad untuk mengetahuinya.

“Jika kita benar-benar berpikir ada banyak kategori logam di luar sana yang tidak kita pahami,” kata Natelson, “penting untuk memahaminya.”

Catatan Editor: The Flatiron Institute didanai oleh Simons Foundation, yang juga mendanai majalah independen editorial ini. Baik Flatiron Institute maupun Simons Foundation tidak mempunyai pengaruh apa pun terhadap liputan kami. Informasi lebih lanjut tersedia di sini.

Quanta sedang melakukan serangkaian survei untuk melayani audiens kami dengan lebih baik. Ambil milik kami survei pembaca fisika dan anda akan diikut sertakan untuk menang secara gratis Quanta dagangan.