הכירו מתכות מוזרות: היכן עשוי החשמל לזרום ללא אלקטרונים | מגזין קוונטה

לאחר שנה של ניסוי וטעייה, ליאנג צ'ן הצליח לצמצם חוט מתכתי לגדיל מיקרוסקופי בחצי רוחבו של E.coli חיידק - רק דק מספיק כדי לאפשר לטפטוף של זרם חשמלי לעבור דרכו. טפטופי הזרם הזה, קיווה צ'ן, יעזרו ליישב תעלומה מתמשכת לגבי האופן שבו מטען נע דרך סוג מביך של חומרים הידועים כמתכות מוזרות.

צ'ן, אז סטודנט לתואר שני, ומשתפי הפעולה שלו באוניברסיטת רייס מדדו את הזרם הזורם דרך גדיל המתכת הדק שלהם באטומים. והם גילו שזה זורם בצורה חלקה ושווה. כל כך שווה, למעשה, שהוא התריס נגד התפיסה הסטנדרטית של הפיזיקאים לגבי חשמל במתכות.

מבחינה קנונית, זרם חשמלי נובע מתנועה קולקטיבית של אלקטרונים, שכל אחד מהם נושא גוש אחד בלתי ניתן לחלוקה של מטען חשמלי. אבל היציבות המתה של הזרם של חן רמזה שהוא לא היה עשוי מיחידות כלל. זה היה כמו למצוא נוזל שאיכשהו חסר מולקולות הניתנות לזיהוי בנפרד.

למרות שזה עשוי להישמע מוזר, זה בדיוק מה שכמה פיזיקאים ציפו מהמתכת שבדקה הקבוצה, שיחד עם קרוביה יוצאי הדופן הוליכו פיסיקאים מבולבלים מאז שנות ה-1980. "זו יצירה יפה מאוד," אמר סוביר שכדב, פיזיקאי תיאורטי באוניברסיטת הרווארד שמתמחה במתכות מוזרות.

התצפית, דיווח בשבוע שעבר בכתב העת מדע, היא אחת האינדיקציות הפשוטות ביותר עד כה לכך שכל מה שמוביל זרם דרך המתכות הבלתי רגילות הללו לא נראה כמו אלקטרונים. הניסוי החדש מחזק את החשדות כי תופעה קוונטית חדשה מתעוררת בתוך מתכות מוזרות. זה גם מספק חומר חדש לפיסיקאים תיאורטיים המנסים להבין מה זה יכול להיות. 

"מתכות מוזרות, לאף אחד אין מושג ארצי מאיפה הן מגיעות", אמר פיטר אבמונטה, פיזיקאי באוניברסיטת אילינוי, אורבנה-שמפיין. "פעם זה נחשב לאי נוחות, אבל עכשיו אנחנו מבינים שזה באמת שלב אחר של החומר שחי בדברים האלה."

מפתח ברגים של קופרטה

האתגר הראשון להבנה המקובלת של מתכות הגיע ב-1986, כשגיאורג בדנורץ וקרל אלכס מולר הרעידו את עולם הפיזיקה עם גילוים של מוליכים בטמפרטורה גבוהה - חומרים הנושאים זרם חשמלי בצורה מושלמת גם בטמפרטורות חמות יחסית. מתכות מוכרות כמו בדיל וכספית הופכות למוליכות-על רק כשהן מצוננות עד כמה מעלות מהאפס המוחלט. בדנורץ ומילר מדדו את ההתנגדות החשמלית בחומר מבוסס נחושת ("קופראט") וראו שהיא נעלמה ב-35 קלווין יחסית נוחים. (על גילוי פורץ הדרך שלהם, בדנורז ומילר שלפו לכיסם פרס נובל רק שנה לאחר מכן.)

עד מהרה הבינו פיזיקאים שמוליכות-על בטמפרטורה גבוהה היא רק ההתחלה של ההתנהגות המסתורית של הקופרטים.

ה-cuprates נעשו ממש מוזרים כשהם הפסיקו להיות מוליכי-על והתחילו להתנגד. ככל שכל המתכות מתחממות, ההתנגדות גוברת. טמפרטורות חמות יותר אומרות שהאטומים והאלקטרונים מתנועעים יותר, ויוצרים יותר התנגשויות מעוררות התנגדות כאשר אלקטרונים מעבירים זרם דרך חומר. במתכות רגילות, כמו ניקל, ההתנגדות עולה באופן ריבועי בטמפרטורות נמוכות - לאט בהתחלה ואחר כך מהר יותר ויותר. אבל ב-cuprates, זה עלה באופן ליניארי: כל דרגת התחממות הביאה את אותה עלייה בהתנגדות - דפוס מוזר שנמשך על פני מאות מעלות, ובמונחים של מוזרות, האפיל על יכולת המוליכות העל של החומר. הקופרטים היו המתכות המוזרות ביותר שראו חוקרים אי פעם.

"מוליכות-על היא עכבר", אמר אנדריי צ'ובוקוב, פיזיקאי תיאורטי באוניברסיטת מינסוטה. "הפיל... זו התנהגות מתכת מוזרה."

העלייה הליניארית בהתנגדות איימה על הסבר מפורסם כיצד מטען חשמלי נע דרך מתכות. התיאוריה "נוזל פרמי" של לב לנדאו, שהוצעה ב-1956, שמה אלקטרונים במרכז הכל. הוא התבסס על תיאוריות קודמות, שלמען הפשטות, הניחו שהאלקטרונים נושאים זרם חשמלי, ושהאלקטרונים נעים דרך מתכת כמו גז; הם מסתובבים בחופשיות בין אטומים מבלי לקיים אינטראקציה זה עם זה.

לנדאו הוסיף דרך לטפל בעובדה המכרעת אך המסובכת כי אלקטרונים מקיימים אינטראקציה. הם טעונים שלילי, מה שאומר שהם כל הזמן דוחים אחד את השני. בהתחשב באינטראקציה הזו בין החלקיקים הפכה גז האלקטרונים למשהו כמו אוקיינוס ​​- כעת, כשאלקטרון אחד נע דרך נוזל האלקטרונים, הוא הפריע לאלקטרונים הסמוכים. באמצעות סדרה מסובכת של אינטראקציות הכרוכות בדחייה הדדית, האלקטרונים האלה שפועלים כעת בעדינות נסעו בהמוניהם - בגושים הידועים כקוואזי-חלקיקים.

הנס של תיאוריית הנוזל של פרמי היה שכל קוואזי-חלקיק התנהג כמעט בדיוק כאילו היה אלקטרון אחד בסיסי. הבדל אחד עיקרי, עם זאת, היה שהכתמים הללו נעו בצורה איטית יותר או זריזה יותר (תלוי בחומר) מאלקטרון חשוף, ולמעשה פועלים כבדים יותר או קלים יותר. כעת, רק על ידי התאמת מונחי המסה במשוואות שלהם, הפיזיקאים יכלו להמשיך להתייחס לזרם כאל תנועה של אלקטרונים, רק עם כוכבית המציינת שכל אלקטרון הוא באמת גוש קוואזי-חלקיקים.

הניצחון הגדול של המסגרת של לנדאו היה שבמתכות רגילות, היא הצליחה לתקן את הדרך המסובכת שבה ההתנגדות עולה באופן ריבועי עם הטמפרטורה. קוואזי-חלקיקים דמויי אלקטרונים הפכו לדרך הסטנדרטית להבנת מתכות. "זה נמצא בכל ספרי לימוד," אמר סחדב.

אבל ב-cuprates, התיאוריה של לנדאו נכשלה באופן דרמטי. ההתנגדות עלתה בקו ללא רבב ולא בעקומה הריבועית הסטנדרטית. פיזיקאים פירשו זה מכבר את הקו הזה כסימן לכך שקופרטים הם בית לתופעה פיזיקלית חדשה.

"אתה די צריך להאמין שהטבע נותן לך רמז או שהטבע אכזרי להפליא", אמר גרגורי בובינגר, פיזיקאי באוניברסיטת פלורידה סטייט, שבילה חלק ניכר מהקריירה שלו בחקר התגובה הליניארית של קופרטס. "להציב חתימה כל כך פשוטה ומפתה ושלא תהיה חשובה פיזית יהיה פשוט יותר מדי לשאת".

והקופרטים היו רק ההתחלה. מאז גילו חוקרים א שורה של חומרים שונים עם אותה התנגדות ליניארית מפתה, כולל "מלחי Bechgaard" אורגניים ויריעות גרפן לא מיושרות. כאשר "המתכות המוזרות" הללו התרבו, מדענים תהו מדוע נראה כי תיאוריית נוזלי הפרמי של לנדאו מתפרקת בכל החומרים השונים הללו. היו שנחשדו שזה בגלל שלא היו כמעט חלקיקים; האלקטרונים איכשהו התארגנו בצורה חדשה ומוזרה שהסתירה כל אינדיבידואליות, בדיוק כפי שהטבע הדיסקרטי של הענבים הולך לאיבוד בבקבוק יין.

"זה שלב של חומר שבו לאלקטרון באמת אין זהות", אמר אבמונטה. "למרות זאת, [מתכת מוזרה] היא מתכת; זה איכשהו נושא זרם."

אבל לא פשוט מבטלים אלקטרונים. לחלק מהמדענים, זרם חשמלי שעלול להיות מתמשך - כזה שאינו מחולק לאלקטרונים - הוא קיצוני מדי. ו כמה ניסויי מתכת מוזרים להמשיך להתאים תחזיות מסוימות של התיאוריה של לנדאו. המחלוקת המתמשכת גרמה ליועץ לתזה של חן, דאגלס נטלסון מאוניברסיטת רייס, יחד עם עמיתו קימיאו סי, כדי לשקול כיצד הם עשויים לבחון בצורה ישירה יותר את האנטומיה של המטען שנע דרך מתכת מוזרה.

"מה אני יכול למדוד שיגיד לי בעצם מה קורה?" תהה נטלסון.

האנטומיה של החשמל

המטרה של הצוות הייתה לנתח את הזרם במתכת מוזרה. האם זה הגיע בחתיכות מטען בגודל אלקטרוני? זה הגיע בחתיכות בכלל? כדי לגלות, הם קיבלו השראה מדרך קלאסית למדידת תנודות בזרימה - "רעש הזריקה" - תופעה שניתן להבין אם נחשוב על הדרכים שבהן גשם עלול לרדת במהלך סופת גשם.

תארו לעצמכם שאתם יושבים במכונית שלכם, ואתם יודעים מתחזית מזג אוויר אמינה ש-5 מילימטרים של גשם ירדו בשעה הקרובה. 5 המילימטרים האלה הם כמו הזרם החשמלי הכולל. אם הגשם הזה נחלק לקומץ של טיפות ענק, השונות מתי הטיפות הללו יפגעו בגג שלך תהיה גבוהה; לפעמים טיפות יתיזו גב אל גב, ובפעמים אחרות הן יהיו מרווחות. במקרה זה, רעש הזריקה גבוה. אבל אם אותם 5 מילימטרים של גשם יתפזרו לתוך ערפל קבוע של טיפות זעירות, השונות בזמן ההגעה - ולכן רעש הירי - יהיה נמוך. הערפל יספק בצורה חלקה כמעט את אותה כמות מים מרגע לרגע. בדרך זו, רעש ירייה חושף את גודל הטיפות.

"עצם מדידת קצב הופעת המים לא אומרת לך את כל התמונה", אמר נטלסון. "מדידת התנודות [בשיעור הזה] אומרת לך הרבה יותר."

באופן דומה, האזנה לפצפוץ בזרם החשמלי יכולה לספר לכם על גושי המטען המרכיבים אותו. הנתחים האלה הם בדרך כלל חלקיקים דמויי אלקטרונים של לנדאו. אכן, הקלטת רעש הזריקה במתכת רגילה היא דרך נפוצה למדידת המטען הבסיסי של האלקטרון - 1.6 × 10^-19 קולומבס.

כדי להגיע ללב זרם של מתכת מוזרה, הצוות רצה למדוד רעש ירייה. אבל רעש יריות אלקטרוני יכול להסתיר אם אלקטרונים נדחפים על ידי אדוות בסריג האטומי של מתכת. כדי למנוע את הטשטוש הזה, החוקרים שולחים זרם דרך חוטים כל כך קצרים שלגלים אין זמן להשפיע על האלקטרונים. החוטים האלה צריכים להיות ננוסקופיים בקנה מידה.

הקבוצה בחרה לעבוד עם מתכת מוזרה מסוימת העשויה מאיטרביום, רודיום וסיליקון בגלל שותפתם הוותיקה של נטלסון וסי, Silke Bühler-Paschen מהאוניברסיטה הטכנולוגית של וינה, גילה כיצד לגדל את החומר בסרטים בעובי של עשרות ננומטרים בלבד. זה דאג למימד מרחבי אחד.

לאחר מכן נפל על צ'ן להבין איך לקחת את הסרטים האלה ולחצוב חוט באורך ורוחב של ננומטר בלבד.

במהלך כשנה, צ'ן בדק דרכים שונות לחתוך את המתכת על ידי התזת חול ביעילות באטומים. אבל בניסוי אחר ניסוי, הוא גילה שהננו-חוטים שהתקבלו סבלו מנזק בקנה מידה אטומי שהרס את ההתנגדות הליניארית האופיינית למתכת המוזרה. לאחר עשרות ניסיונות, הוא נחת על תהליך שעבד: הוא ציפה את המתכת בכרום, השתמש בזרם של גז ארגון כדי לפוצץ את כל המתכת המוזרה המוגנת בכרום, מלבד קו דק, ואז הסיר את הכרום באמבטיה. של חומצה הידרוכלורית.

בסופו של דבר, חן, שרכש בהצלחה את הדוקטורט שלו באביב ומאז הלך לעבוד בפיננסים, יצר קומץ של ננו-חוטים כמעט ללא רבב. כל אחד מהם היה בערך באורך של 600 ננומטר על 200 ננומטר רוחב - בערך פי 50 צר יותר מתאי דם אדום.

לאחר קירורם לטמפרטורות קלווין חד ספרתיות, העבירו החוקרים זרם חשמלי דרך ננו-חוטי המתכת המוזרים. הם גם העבירו זרם דרך חוטי ננו עשויים מזהב רגיל. הזרם בחוט הזהב התפצח בצורה המוכרת שעושים זרמים העשויים מקוזי-חלקיקים טעונים - כמו טיפות גשם שומן שמתיזות על גג המכונית. אבל במתכת המוזרה, זרם חמק בשקט דרך הננו-תיל, אפקט הדומה לשריקת הערפל הכמעט אילמת. הפירוש הפשוט ביותר של הניסוי הוא שמטען במתכת המוזרה הזו אינו זורם בנתחים בגודל אלקטרונים.

"הנתונים הניסויים מספקים ראיות חזקות לכך שקוואזי-חלקיקים הולכים לאיבוד במתכת המוזרה", אמר סי.

עם זאת, לא כל הפיזיקאים משוכנעים לחלוטין שהניסוי הורג את הקוואזי-חלקיקים של לנדאו. "זו טענה נועזת מאוד," אמר בראד רמשו, פיזיקאי באוניברסיטת קורנל. "אז אתה צריך נתונים נועזים."

מגבלה אחת של הניסוי היא שהקבוצה בדקה רק חומר אחד. רק בגלל שרעש הזריקה נמוך בתערובת האיטרביום, הרודיום והסיליקון של צ'ן, זה לא מבטיח שהוא נמוך במתכות מוזרות אחרות. ותמיד ניתן לייחס חריגה חד פעמית לאיזה פרט לא מובן על החומר הזה.

Ramshaw גם ציין שמתכות מצלצלות עם כל מיני רעידות מוזרות שעלול לעוות את רעש הזריקה בזרם. חן ועמיתיו שללו הפרעה מהרעידות הנפוצות יותר, אך ייתכן שאדווה אקזוטית כלשהי התחמקה מתשומת ליבם.

עם זאת, ראמשו מוצא את הניסוי משכנע. "זה מאוד מניע לאנשים לנסות לעשות דברים אחרים כדי לראות אם הם גם עקביים ללא אלקטרונים", אמר.

אם לא אלקטרונים, אז מה?

אם תמונת הקוואזי-חלקיקים תמשיך להתפורר, מה יכול להחליף אותה? איך זרם נע סביב מתכות מוזרות אם לא בחבילות מטען דמויי אלקטרונים? זה מצב לא קל לתיאור, ועוד פחות מכך במונחים מתמטיים מדויקים. "מהו אוצר המילים הנכון להשתמש בו," אמר נטלסון, "אם אתה לא מתכוון לדבר על קוואזי-חלקיקים?"

כשלוחצים עליהם, הפיזיקאים מגיבים לשאלה זו ברטט של מטפורות למה שמופיע כאשר אלקטרונים בודדים נעלמים: הם מתמזגים למרק קוונטי סבוך; הם נקרשים לג'לי; הם יוצרים בלגן מוקצף של מטען שמשתפך מסביב. פיליפ פיליפס של Urbana-Champaign מדמה אלקטרונים של מתכת מוזרה לגומי בצמיג. כאשר גומי יוצא מעץ, המולקולות שלו מסתדרות במיתרים בודדים. אבל במהלך תהליך הגיפור, המיתרים הללו הופכים לרשת מחוספסת. חומר חדש עולה מאוסף הפרטים. "אתה מקבל משהו שגדול מסכום החלקים שלו," הוא אמר. "לאלקטרונים עצמם אין שלמות."

כדי ללכת מעבר לתיאורים מעורפלים של הופעה, פיזיקאים צריכים תיאור מתמטי מדויק - תיאוריית נוזל פרמי שטרם התגלתה למתכות מוזרות. סחדב עזר לפתח מועמד פשטני אחד, מודל SYK, בתחילת שנות ה-1990. זה קיבל את ההתנגדות הליניארית כמו שצריך, אבל זה לא היה קשור בכלל לחומרים אמיתיים העשויים מרשת אמיתית של אטומים. ראשית, לא היה בו מקום; כל האלקטרונים יושבים בנקודה אחת שבה הם מקיימים אינטראקציה אקראית ומסתבכים עם כל שאר האלקטרונים.

במהלך השנתיים האחרונות, סחדב, אבישקר פאטל של מכון פלטירון, ומשתפי הפעולה שלהם עבדו על הכנסת מקום לדגם SYK. הם מפיצים אינטראקציות אלקטרונים על פני החלל על ידי התחשבות בהשפעות של פגמים בסריג האטומי - נקודות בהן נעלמו אטומים או הופיעו אטומים נוספים. אבק זה של פגמים אטומיים גורם לשינויים אקראיים באופן שבו זוגות אלקטרונים מתקשרים ומסתבכים. לשטיחי האלקטרונים הסבוכים שנוצר יש התנגדות ליניארית העולה - סימן ההיכר של מתכת מוזרה. לאחרונה הם השתמשו במסגרת שלהם כדי לחשב רעש ירייה גם כן. המספרים לא ממש תואמים את התצפיות של חן, אבל הם יוצרים את אותה דפוס איכותי. "כל המגמות נכונות", אמר סחדב.

חוקרים אחרים מדגישים כי המצב התיאורטי נותר נזיל - לא ברור לחלק אם חומרים שונים זה מזה כמו יריעות של גרפן ומוליכי-על של cuprate יכולים כולם לחלוק רצף דומה מספיק של פגמים כדי לייצר את התכונות המשותפות של מתכת. הדרך הנדרשת על ידי התיאוריה של סחדב ופאטל. ותיאוריות אלטרנטיביות יש בשפע. פיליפס, למשל, חושד שמתכות מוזרות מחייבות צורה מתעוררת של אלקטרומגנטיות זה לא מסתמך על אלקטרונים שלמים. סי ובילר-פאשן, בינתיים, בילו כמעט 20 שנה לפתח ולחקור a התאוריה לאופן שבו קוואזי-חלקיקים מתמוססים כאשר מערכת יושבת על "נקודה קריטית קוונטית," שבו שני מצבים מכאניים קוונטיים שונים נאבקים על העליונה. בניסוי רעש-ירי, הם הביאו את חוטי הננו שלהם לנקודה כה קריטית.

למרות שהפיזיקאים עדיין לא מסכימים מדוע נראה כי מטענים חשמליים מתמוססים בתוך מתכות מוזרות, או אפילו אם הם באמת מתמוססים, הם נחושים לגלות זאת.

"אם אנחנו באמת חושבים שיש שם קטגוריה שלמה של מתכות שאנחנו לא מבינים", אמר נטלסון, "חשוב להבין את אלה".

הערת העורך: מכון פלטירון ממומן על ידי קרן סימונס, המממנת גם מגזין עצמאי זה מבחינה עריכה. לא למכון פלטירון ולא לקרן סימונס יש השפעה כלשהי על הסיקור שלנו. מידע נוסף זמין כאן.

Quanta עורכת סדרה של סקרים כדי לשרת טוב יותר את הקהל שלנו. קח את שלנו סקר קוראי פיזיקה ותוכלו לזכות בחינם Quanta סחורה.