奇妙な金属に出会う: 電子がなくても電気が流れる場所 | クアンタマガジン

XNUMX 年間の試行錯誤の後、Liyang Chen は金属ワイヤーを削り、幅の半分の微細なストランドにすることに成功しました。 大腸菌 バクテリア — 細流電流が通過できる程度の薄さです。 その電流の滴りは、奇妙な金属として知られる不可思議な種類の材料中を電荷がどのように移動するのかという永続的な謎を解決するのに役立つとチェン氏は期待した。

当時大学院生だったチェンとライス大学の共同研究者らは、原子のように細い金属の鎖を流れる電流を測定した。 そして、それがスムーズかつ均一に流れることがわかりました。 実際、非常に均等なので、金属中の電気に関する物理学者の標準的な概念を覆しました。

正準的には、電流は電子の集合的な動きから生じ、各電子は分割できない電荷の塊を運びます。 しかし、チェンの流れがまったく安定していないということは、それが単位でできているわけではないことを暗示していた。 それは、個別に認識できる分子がどういうわけか欠けている液体を見つけるようなものでした。

それは奇抜に聞こえるかもしれないが、それはまさに一部の物理学者がこのグループが実験した金属に期待していたものであり、この金属はその珍しい類縁物質とともに1980年代以来物理学者を惑わし当惑させてきた。 「とても素敵な作品ですね」 スビル・サチデフ、ハーバード大学の理論物理学者で、奇妙な金属を専門としています。

観察では、 先週報告 ジャーナルで 科学、これは、これらの珍しい金属に電流を流すものは何であれ、電子のようには見えないことを示す最も簡単な兆候のXNUMXつです。 この新たな実験は、奇妙な金属内で新たな量子現象が生じているという疑惑を強めている。 また、それが何であるかを理解しようとしている理論物理学者に新しい要点を提供します。 

「奇妙な金属、それがどこから来たのか地球上では誰も知りません」と彼は言った ピーター・アバモンテ、イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校の物理学者。 「以前はそれは不便だと考えられていましたが、今では、これらの物体に住むことは実際には別の段階の物質であることがわかります。」

銅酸化物レンチ

金属の従来の理解に対する最初の挑戦は 1986 年に起こりました。ゲオルク ベドノルツとカール アレックス ミュラーは、高温超伝導体、つまり比較的暖かい温度でも完全に電流を流す材料の発見で物理学の世界を震撼させました。 スズや水銀などのよく知られた金属は、絶対零度から数度以内に冷却した場合にのみ超伝導体になります。 Bednorz と Muller は、銅ベース (「銅酸化物」) 材料の電気抵抗を測定し、比較的穏やかな 35 ケルビンで電気抵抗が消滅することを確認しました。 （画期的な発見により、ベドノルツとミュラーはわずかXNUMX年後にノーベル賞を獲得しました。）

物理学者たちはすぐに、高温超伝導は銅酸化物の不思議な挙動の始まりにすぎないことに気づきました。

銅酸化物は、超伝導を止めて抵抗を始めたとき、本当に奇妙になりました。 すべての金属が温まると、抵抗が増加します。 温度が高くなると、原子と電子の揺れが大きくなり、電子が材料中を電流を往復するときに、より多くの抵抗を引き起こす衝突が発生します。 ニッケルなどの通常の金属では、低温では抵抗が二次関数的に増加します。最初はゆっくりと、その後ますます速くなります。 しかし、銅酸化物では、抵抗は直線的に上昇しました。気温が上昇するたびに、抵抗は同じ増加をもたらしました。この奇妙なパターンは数百度にわたって続き、奇妙さという点で、材料の超電導能力に影を落としました。 銅酸化物は、研究者たちがこれまでに見た中で最も奇妙な金属でした。

「超電導はネズミだ」と彼は言った アンドレイ・チュブコフ、ミネソタ大学の理論物理学者。 「象は…この奇妙な金属の動作です。」

抵抗の直線的な上昇は、電荷がどのように金属中を移動するかについての有名な説明を脅かしました。 1956 年に提案されたレフ ランダウの「フェルミ液体」理論は、電子をすべての中心に置きました。 これは、簡単にするために電子が電流を運び、電子がガスのように金属中を移動すると仮定した以前の理論に基づいて構築されました。 それらは相互作用することなく原子間を自由に飛び回ります。

Landau は、電子が相互作用するという重要だが複雑な事実を処理する方法を追加しました。 これらはマイナスに帯電しているため、常に互いに反発し合っています。 粒子間のこの相互作用を考えると、電子ガスが海のようなものに変化しました。今度は、XNUMX つの電子が電子流体の中を移動すると、近くの電子が乱されます。 相互反発を伴う複雑な一連の相互作用を経て、現在穏やかに相互作用している電子は、最終的に群集、つまり準粒子として知られる塊の中で移動することになります。

フェルミ液体理論の奇跡は、各準粒子があたかも単一の基本電子であるかのようにほぼ正確に動作することでした。 ただし、大きな違いの XNUMX つは、これらの塊は裸の電子よりもゆっくりまたは機敏に動き (材質に応じて)、実際には重くまたは軽く動作することです。 さて、物理学者は方程式の質量項を調整するだけで、各電子が実際には準粒子の塊であることを示すアスタリスクのみを付けて、電流を電子の動きとして扱い続けることができます。

ランダウのフレームワークの主な成果は、通常の金属において、抵抗が温度とともに二次関数的に増加する複雑な方法を確立したことです。 電子に似た準粒子は、金属を理解する標準的な方法になりました。 「それはどの教科書にも載っています」とサクデフ氏は語った。

しかし銅酸化物では、ランダウの理論は劇的に失敗した。 抵抗値は標準的な二次曲線ではなく、きれいな直線で上昇しました。 物理学者たちは長い間、この線を銅酸化物が新しい物理現象の根源であることを示すものとして解釈してきました。

「自然がヒントを与えてくれるか、自然が信じられないほど残酷であるかのどちらかを信じるしかない」と彼は言う。 グレゴリー・ボービンガー、フロリダ州立大学の物理学者であり、キャリアの多くを銅酸化物の線形応答の研究に費やしてきました。 「これほどシンプルで魅惑的な署名を掲げ、それが物理的に重要ではないというのは、あまりにも耐えられないでしょう。」

そして、銅酸化物はほんの始まりにすぎませんでした。 研究者たちはそれ以来、 さまざまな素材のホスト 有機「ベックガード塩」や位置がずれたグラフェンシートなど、同じ魅力的な線形抵抗を備えています。 これらの「奇妙な金属」が急増するにつれて、科学者たちは、なぜランダウのフェルミ流体理論がこれらすべての異なる材料で破綻するように見えるのか疑問に思いました。 準粒子がまったく存在しないためではないかと疑う人もいます。 電子はどういうわけか、ブドウの個別の性質がワインのボトルの中で失われるのと同じように、個性を曖昧にする奇妙な新しい方法で組織化されていました。

「これは電子が実際には何のアイデンティティも持たない物質の相だ」とアバモンテ氏は語った。 「それでも、[奇妙な金属] は金属です。 どういうわけか電流が流れます。」

しかし、単に電子を廃止するわけではありません。 一部の科学者にとって、潜在的に連続的な電流、つまり電子に分割されていない電流は過激すぎると考えます。 そして 奇妙な金属の実験 ランダウ理論の特定の予測と一致し続けています。 論争が長引くため、チェン氏の論文指導顧問は次のように述べた。 ダグラス・ナテルソン ライス大学の教授と彼の同僚 キミャオ・シー、奇妙な金属中を移動する電荷の構造をより直接的に精査する方法を検討するためです。

「実際に何が起こっているのかを知るには、何を測定すればよいでしょうか?」 ナテルソンは疑問に思った。

電気の構造

チームの目標は、奇妙な金属の電流を解剖することでした。 それは電子サイズの電荷の塊で来たのでしょうか? それはまったく塊で来ましたか？ それを知るために、彼らは流れの変動を測定する古典的な方法である「ショット ノイズ」からインスピレーションを得ました。この現象は、暴風雨の際に雨が降る様子を考えれば理解できる現象です。

あなたが車に座っていて、信頼できる天気予報から、今後 5 時間で 5 ミリメートルの雨が降るとわかっていると想像してください。 この 5 ミリメートルは総電流のようなものです。 その雨が数個の巨大な水滴に分かれている場合、それらの水滴がいつ屋根に当たるかは大きく異なります。 水滴が背中合わせに飛び散ることもあれば、間隔を置いて飛び散ることもあります。 この場合、ショットノイズが大きくなる。 しかし、同じ XNUMX ミリメートルの雨が小さな水滴の一定の霧に広がった場合、到達時間の変動、したがってショットノイズは低くなります。 瞬間瞬間、ほぼ同量の水をミス​​トがスムーズに届けます。 このようにして、ショットノイズによって液滴のサイズが明らかになります。

「水の出現速度を測定するだけでは全体像はわかりません」とナテルソン氏は言う。 「[そのレートの]変動を測定すると、さらに多くのことがわかります。」

同様に、電流のパチパチ音を聞くと、それを構成する電荷の塊について知ることができます。 これらの塊は通常、ランダウの電子のような準粒子です。 実際、通常の金属のショット ノイズを記録することは、電子の基本電荷を測定する一般的な方法です — 1.6 × 10^-19 クーロン。

奇妙な金属の流れの核心に迫るために、チームはショットノイズを測定したいと考えました。 しかし、電子が金属の原子格子内の波紋によって押し流されると、電子ショット ノイズが見えにくくなることがあります。 このようなファジーを避けるために、研究者は、波紋が電子に影響を与える時間がないように非常に短いワイヤに電流を送ります。 これらのワイヤはナノスケールのスケールである必要があります。

このグループは、イッテルビウム、ロジウム、シリコンで作られた特別な奇妙な金属を扱うことを選択しました。 シルケ・ビューラー・パッシェン ウィーン工科大学の博士らは、材料をわずか数十ナノメートルの厚さの膜に成長させる方法を発見しました。 これで XNUMX つの空間次元が処理されました。

次に、これらのフィルムを使用して、長さと幅がわずかナノメートルのワイヤーを切り出す方法を考案するのはチェンの仕事でした。

約 XNUMX 年にわたって、チェン氏は原子を効果的にサンドブラストすることで金属を削り取るさまざまな方法をテストしました。 しかし、次々と実験を重ねるうちに、得られたナノワイヤは原子スケールの損傷を受け、この奇妙な金属の特徴である線形抵抗が破壊されることが判明した。 数十回の試行の後、彼はうまくいくプロセスにたどり着きました。金属にクロムメッキをし、アルゴンガスの流れを使ってクロムで保護された奇妙な金属の細い線を除いてすべて吹き飛ばし、その後バスでクロムを剥ぎ取りました。塩酸の。

結局、春に無事博士号を取得し、その後金融業界で働き始めたチェン氏は、ほぼ完璧なナノワイヤを数本作り上げた。 それぞれの長さはおよそ 600 ナノメートル、幅は 200 ナノメートルで、赤血球の約 50 倍の細さでした。

極寒の一桁ケルビン温度まで冷却した後、研究者らは奇妙な金属ナノワイヤーに電流を流した。 また、通常の金で作られたナノワイヤにも電流を流しました。 金線に流れる電流は、荷電した準粒子からなる電流とよく似たパチパチ音を立てた。まるで車の屋根に飛び散る脂肪の雨滴のようだ。 しかし、この奇妙な金属では、電流が静かにナノワイヤを通過し、その効果は霧のほとんど静かなシュー音に似ていました。 この実験の最も単純な解釈は、この奇妙な金属の電荷は電子サイズの塊では流れないということです。

「実験データは、この奇妙な金属の中で準粒子が失われているという強力な証拠を提供しています」とSi氏は述べた。

しかし、すべての物理学者が実験によってランダウの準粒子が消滅すると完全に確信しているわけではない。 「これは非常に大胆な主張だ」と述べた。 ブラッド・ラムショー、コーネル大学の物理学者。 「ですから、大胆なデータが必要なのです。」

実験の限界の XNUMX つは、グループが XNUMX つの材料のみをテストしたことです。 Chen のイッテルビウム、ロジウム、シリコンの混合物でショットノイズが低いからといって、他の奇妙な金属でもショットノイズが低いという保証はありません。 そして、一回限りの異常は常に、その物質に関するよく理解されていない詳細に起因する可能性があります。

ラムショーはまた、金属はあらゆる種類の金属で鳴ると指摘した。 奇妙な振動 電流中のショットノイズが歪む可能性があります。 チェン氏と同僚らは、より一般的な振動による干渉の可能性を排除したが、何らかの異常な波紋が彼らの認識をすり抜けていた可能性はある。

それでもラムショーは、この実験には説得力があると考えている。 「これは人々にとって、電子がない状態でも矛盾がないかどうかを確認するために他のことをしようとする強い動機になります」と彼は言いました。

電子ではない場合はどうなるでしょうか?

準粒子の像が崩れ続けるとしたら、何がそれに代わるでしょうか? 電子のような電荷の塊ではない場合、電流はどのようにして奇妙な金属の周りを移動するのでしょうか? この状況を説明するのは簡単ではありませんし、ましてや正確な数学用語で表現するのは簡単ではありません。 「準粒子について話すつもりがない場合、使用するのに適切な語彙は何ですか?」と Natelson 氏は言いました。

物理学者は、この質問に迫られると、個々の電子が消滅したときに何が現れるかを震える比喩で答えます。電子は溶けて、もつれた量子スープになります。 それらはゼリーに固まります。 それらは泡状の混乱を形成し、周囲に飛び散ります。 フィリップ・フィリップス アーバナ・シャンペーンの博士は、奇妙な金属の電子をタイヤのゴムに例えています。 ゴムが木から出るとき、その分子は一本一本の糸に並んでいます。 しかし、加硫プロセス中に、これらの紐は頑丈なネットに変わります。 個の集合体から新たな物質が生まれる。 「各部分の合計よりも大きなものを手に入れることになります」と彼は言いました。 「電子自体には完全性がありません。」

出現に関する曖昧な説明を超えるには、物理​​学者は正確な数学的説明、つまり未知の金属に関するまだ発見されていないフェルミ流体理論を必要としています。 Sachdev は 1990 年代初頭に、単純化された候補の XNUMX つである SYK モデルの開発を支援しました。 線形抵抗は正しく得られましたが、実際の原子グリッドからなる実際の材料とはまったく関係がありませんでした。 まず、スペースがありませんでした。 すべての電子は単一点に位置し、そこでランダムに相互作用し、他のすべての電子と絡み合います。

ここ数年、ザクデフ、 アーヴィシュカール・パテル Flatiron Institute の共同研究者らは、 SYK モデルにスペースを取り込む。 彼らは、原子格子の欠陥、つまり原子が失われたり、余分な原子が現れたりするスポットの影響を考慮して、電子の相互作用を空間全体に広げます。 この原子欠陥の散布により、電子対がどのように相互作用し、絡み合うかにランダムな変動が生じます。 その結果、絡み合った電子のタペストリーは、直線的に上昇する抵抗を持ちます。これは、奇妙な金属の特徴です。 彼らは最近フレームワークを使用しました ショットノイズを計算するには 同じように。 この数字はチェン氏の観察とは完全には一致しませんが、同じ定性的パターンを形成しています。 「すべての傾向は正しい」とサクデフ氏は語った。

他の研究者らは、理論的状況は依然として流動的であると強調している。グラフェンや銅酸化物超伝導体のシートのように互いに異なる材料が、共通の奇妙な金属特性を生み出すのに十分な類似の欠陥をすべて共有できるかどうかは、一部の人には明らかではない。ザクデフとパテルの理論が要求する方法。 そして、それに代わる理論もたくさんあります。 たとえば、フィリップス氏は、奇妙な金属が要求を呼び起こしているのではないかと疑っている。 電磁気学の新たな形態 それは電子全体に依存しません。 一方、Si と Bühler-Paschen はほぼ 20 年を費やしてきました。 開発と探索 a 理論 系が「」にあるときに準粒子がどのように溶解するかについて量子臨界点」では、XNUMX つの異なる量子力学的状態が優勢をめぐって争っています。 ショットノイズ実験で、彼らはナノワイヤをまさにそのような臨界点に到達させた。

物理学者たちは、なぜ奇妙な金属の中で電荷が溶けているように見えるのか、あるいは本当に溶けるのかどうかについてまだ意見が一致していないが、解明しようと決意している。

「私たちが理解していない金属のカテゴリーが存在すると本当に考えているのであれば、それらを理解することが重要です」とナテルソン氏は言う。

編集者注: フラットアイアン研究所はサイモンズ財団から資金提供を受けており、この財団は編集上独立したこの雑誌にも資金を提供しています。 フラットアイアン研究所もシモンズ財団も、私たちの報道に対していかなる影響力も持ちません。 さらに詳しい情報が入手可能 こちら.

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