Maak kennis met vreemde metalen: waar elektriciteit kan stromen zonder elektronen | Quanta-tijdschrift

Na een jaar van vallen en opstaan ​​was Liyang Chen erin geslaagd een metalen draad te verkleinen tot een microscopisch kleine streng die half zo breed was als een E. coli bacterie – net dun genoeg om een ​​straaltje elektrische stroom door te laten. Chen hoopte dat de druppels van die stroom zouden helpen een hardnekkig mysterie op te lossen over hoe lading zich door een verbijsterende klasse van materialen beweegt die bekend staan ​​als vreemde metalen.

Chen, toen een afgestudeerde student, en zijn medewerkers aan de Rice University maten de stroom die door hun atomendunne metaalstreng vloeide. En ze ontdekten dat het soepel en gelijkmatig stroomde. Zo gelijkmatig zelfs dat het de standaardopvatting van natuurkundigen over elektriciteit in metalen tartte.

Canonisch gezien is elektrische stroom het resultaat van de collectieve beweging van elektronen, die elk een ondeelbaar deel van de elektrische lading dragen. Maar de dodelijke stabiliteit van Chens stroom impliceerde dat deze helemaal niet uit eenheden bestond. Het was alsof je een vloeistof vond die op de een of andere manier individueel herkenbare moleculen ontbeerde.

Hoewel dat misschien bizar klinkt, is het precies wat sommige natuurkundigen verwachtten van het metaal dat de groep testte, dat samen met zijn ongewone verwanten natuurkundigen sinds de jaren tachtig heeft verleid en verbijsterd. "Het is een heel mooi werkstuk", zei hij Subir Sachdev, een theoretisch natuurkundige aan de Harvard University die gespecialiseerd is in vreemde metalen.

De observatie, meldde vorige week in het tijdschrift Wetenschap, is een van de meest duidelijke aanwijzingen tot nu toe dat alles wat stroom door deze ongebruikelijke metalen voert, in niets op elektronen lijkt. Het nieuwe experiment versterkt het vermoeden dat er een nieuw kwantumfenomeen ontstaat in vreemde metalen. Het biedt ook nieuw inzicht voor theoretische natuurkundigen die proberen te begrijpen wat het zou kunnen zijn. 

"Vreemde metalen, niemand heeft enig idee waar ze vandaan komen", zei hij Peter Abbamonte, een natuurkundige aan de Universiteit van Illinois, Urbana-Champaign. "Vroeger werd het als een ongemak beschouwd, maar nu beseffen we dat het echt een andere fase van de materie is die in deze dingen leeft."

Een Cuprate-sleutel

De eerste uitdaging voor het conventionele begrip van metalen kwam in 1986, toen Georg Bednorz en Karl Alex Müller de wereld van de natuurkunde op zijn kop zetten met hun ontdekking van hoge-temperatuur-supergeleiders – materialen die perfect een elektrische stroom geleiden, zelfs bij relatief warme temperaturen. Bekende metalen als tin en kwik worden pas supergeleiders als ze worden gekoeld tot op enkele graden van het absolute nulpunt. Bednorz en Müller maten de elektrische weerstand in een materiaal op koperbasis (“cuprate”) en zagen dat deze verdween bij een relatief zachte 35 Kelvin. (Voor hun baanbrekende ontdekking ontvingen Bednorz en Müller slechts een jaar later een Nobelprijs.)

Natuurkundigen beseften al snel dat supergeleiding bij hoge temperaturen slechts het begin was van het mysterieuze gedrag van de cuprates.

De cuprates werden heel raar toen ze stopten met supergeleiding en zich gingen verzetten. Naarmate alle metalen warmer worden, neemt de weerstand toe. Bij hogere temperaturen bewegen atomen en elektronen meer, waardoor er meer weerstandsinducerende botsingen ontstaan ​​wanneer elektronen stroom door een materiaal heen en weer bewegen. Bij normale metalen, zoals nikkel, stijgt de weerstand kwadratisch bij lage temperaturen: eerst langzaam en daarna steeds sneller. Maar in de cupraten steeg het lineair: elke graad van opwarming bracht dezelfde toename van de weerstand met zich mee – een bizar patroon dat zich over honderden graden voortzette en, in termen van vreemdheid, het supergeleidende vermogen van het materiaal overschaduwde. De cuprates waren de vreemdste metalen die onderzoekers ooit hadden gezien.

"Supergeleiding is een muis", zei hij Andrej Tsjoeboekov, een theoretisch natuurkundige aan de Universiteit van Minnesota. "De olifant... is dit vreemde metaalgedrag."

De lineaire stijging van de weerstand bedreigde een gevierde verklaring van hoe elektrische lading door metalen beweegt. Lev Landau's 'Fermi-vloeistof'-theorie, voorgesteld in 1956, plaatste elektronen in het middelpunt van dit alles. Het bouwde voort op eerdere theorieën die, voor de eenvoud, ervan uitgingen dat elektronen elektrische stroom transporteren en dat de elektronen door een metaal bewegen zoals een gas; ze fladderen vrij tussen atomen zonder met elkaar in wisselwerking te staan.

Landau voegde een manier toe om om te gaan met het cruciale maar gecompliceerde feit dat elektronen op elkaar inwerken. Ze zijn negatief geladen, wat betekent dat ze elkaar voortdurend afstoten. Gezien deze interactie tussen de deeltjes transformeerde het elektronengas in iets van een oceaan - nu, terwijl één elektron door de vloeistof van elektronen bewoog, verstoorde het de nabijgelegen elektronen. Door een ingewikkelde reeks interacties die wederzijdse afstoting met zich meebrachten, kwamen deze nu zacht op elkaar inwerkende elektronen uiteindelijk in menigten terecht - in klonten die bekend staan ​​als quasideeltjes.

Het wonder van de Fermi-vloeistoftheorie was dat elk quasideeltje zich vrijwel precies gedroeg alsof het een enkel fundamenteel elektron was. Eén groot verschil was echter dat deze klodders trager of behendiger bewogen (afhankelijk van het materiaal) dan een bloot elektron, waardoor ze feitelijk zwaarder of lichter werkten. Nu zouden natuurkundigen, alleen al door de massatermen in hun vergelijkingen aan te passen, stroom kunnen blijven beschouwen als de beweging van elektronen, alleen met een asterisk die aangeeft dat elk elektron in werkelijkheid een klomp quasideeltjes is.

Een grote triomf van Landau's raamwerk was dat het bij normale metalen de ingewikkelde manier wist vast te leggen waarop de weerstand kwadratisch stijgt met de temperatuur. Elektronachtige quasideeltjes werden de standaardmanier om metalen te begrijpen. 'Het staat in elk leerboek,' zei Sachdev.

Maar in de cuprates faalde Landau's theorie dramatisch. De weerstand steeg in een onberispelijke lijn in plaats van de standaard kwadratische curve. Natuurkundigen hebben deze lijn lange tijd geïnterpreteerd als een teken dat cuprates de thuisbasis zijn van een nieuw natuurkundig fenomeen.

“Je moet vrijwel geloven dat de natuur je een aanwijzing geeft, of dat de natuur ongelooflijk wreed is,” zei hij Gregory Boebinger, een natuurkundige aan de Florida State University die een groot deel van zijn carrière heeft besteed aan het bestuderen van de lineaire respons van de cuprates. “Het zou gewoon te zwaar zijn om zo’n vreselijk eenvoudige en verleidelijke handtekening op te zetten en die fysiek niet belangrijk te hebben.”

En de cuprates waren nog maar het begin. Onderzoekers hebben sindsdien een groot aantal uiteenlopende materialen met dezelfde verleidelijke lineaire weerstand, inclusief organische ‘Bechgaard-zouten’ en slecht uitgelijnde lagen grafeen. Terwijl deze ‘vreemde metalen’ zich vermenigvuldigden, vroegen wetenschappers zich af waarom Landau’s Fermi-vloeistoftheorie in al deze verschillende materialen leek te ontbinden. Sommigen gingen vermoeden dat dit kwam doordat er helemaal geen quasideeltjes waren; de elektronen organiseerden zichzelf op de een of andere manier op een vreemde nieuwe manier die elke individualiteit verdoezelde, net zoals de discrete aard van druiven verloren gaat in een fles wijn.

“Het is een fase van de materie waarin een elektron werkelijk geen identiteit heeft”, zegt Abbamonte. “Desalniettemin is [een vreemd metaal] een metaal; het voert op de een of andere manier stroom.”

Maar je schaft elektronen niet zomaar af. Voor sommige wetenschappers is een potentieel continue elektrische stroom – een stroom die niet in elektronen is verdeeld – te radicaal. En enkele vreemde metaalexperimenten blijven bepaalde voorspellingen van Landau's theorie overeenkomen. De aanhoudende controverse was voor Chen's scriptieadviseur aanleiding om Douglas Natelson van Rice University, samen met zijn collega Qimiao Si, om te overwegen hoe ze de anatomie van de lading die door een vreemd metaal beweegt, directer kunnen onderzoeken.

“Wat zou ik kunnen meten dat mij daadwerkelijk zou vertellen wat er aan de hand is?” vroeg Natelson zich af.

De anatomie van elektriciteit

Het doel van het team was om de stroming in een vreemd metaal te ontleden. Kwam het in stukjes lading ter grootte van een elektron? Kwam het überhaupt in stukjes? Om dit uit te zoeken lieten ze zich inspireren door een klassieke manier om fluctuaties in een stroom te meten – het ‘schotgeluid’ – een fenomeen dat kan worden begrepen als we bedenken hoe regen kan vallen tijdens een regenbui.

Stel je voor dat je in je auto zit en op basis van een betrouwbare weersvoorspelling weet dat er het komende uur 5 millimeter regen zal vallen. Die 5 millimeter zijn als de totale elektrische stroom. Als die regen in een handvol gigantische druppels wordt verdeeld, zal de variatie in het moment waarop die druppels je dak raken groot zijn; soms spatten de druppels rug aan rug, en op andere momenten zullen ze uit elkaar worden geplaatst. In dit geval is het schotgeluid hoog. Maar als dezelfde vijf millimeter regen zich verspreidt in een constante mist van kleine druppeltjes, zal de variatie in aankomsttijd – en dus het schotgeluid – laag zijn. De nevel zal van moment tot moment soepel bijna dezelfde hoeveelheid water afgeven. Op deze manier onthult het schotgeluid de grootte van de druppels.

"Alleen het meten van de snelheid waarmee water verschijnt, vertelt je niet het hele plaatje", zei Natelson. "Het meten van de schommelingen [in dat tarief] vertelt je veel meer."

Op dezelfde manier kan het luisteren naar het geknetter van elektrische stroom je iets vertellen over de stukjes lading waaruit het bestaat. Deze brokken zijn normaal gesproken de elektronachtige quasideeltjes van Landau. Het opnemen van de schotruis in een normaal metaal is inderdaad een gebruikelijke manier om de fundamentele lading van het elektron te meten: 1.6 x 10^-19 coulomb.

Om de kern van de stroming van een vreemd metaal te doorgronden, wilde het team het schotgeluid meten. Maar elektronische schotruis kan worden verduisterd als elektronen worden rondgeduwd door rimpelingen in het atoomrooster van een metaal. Om dat gedoe te voorkomen, sturen onderzoekers stroom door draden zo kort dat de rimpelingen geen tijd hebben om de elektronen te beïnvloeden. Deze draden moeten nanoscopisch groot zijn.

De groep koos ervoor om te werken met een bijzonder vreemd metaal gemaakt van ytterbium, rhodium en silicium, omdat Natelson en Si's oude medewerker, Silke Bühler-Paschen van de Technische Universiteit van Wenen, had uitgewerkt hoe je het materiaal kon laten groeien in films van slechts tientallen nanometers dik. Dat zorgde voor één ruimtelijke dimensie.

Vervolgens was het de taak van Chen om uit te zoeken hoe hij uit die films een draad kon uitsnijden die slechts een nanometer lang en breed was.

In de loop van ongeveer een jaar testte Chen verschillende manieren om het metaal te verkleinen door het effectief met atomen te zandstralen. Maar proef na proef ontdekte hij dat de resulterende nanodraden schade op atomaire schaal opliepen die de karakteristieke lineaire weerstand van het vreemde metaal teniet deed. Na tientallen pogingen kwam hij tot een proces dat werkte: hij bedekte het metaal met chroom, gebruikte een stroom argongas om alles behalve een dunne lijn van het met chroom beschermde vreemde metaal weg te blazen, en verwijderde vervolgens het chroom met een bad. van zoutzuur.

Uiteindelijk heeft Chen, die in het voorjaar met succes zijn doctoraat heeft behaald en sindsdien in de financiële wereld is gaan werken, een handvol vrijwel onberispelijke nanodraden gemaakt. Elk ervan was ongeveer 600 nanometer lang en 200 nanometer breed – ongeveer 50 keer smaller dan een rode bloedcel.

Nadat ze ze hadden afgekoeld tot ijskoude Kelvin-temperaturen van één cijfer, lieten de onderzoekers elektrische stroom door de vreemde metalen nanodraden lopen. Ze lieten ook stroom lopen door nanodraden gemaakt van normaal goud. De stroom in de gouddraad kraakte op de bekende manier zoals stromen gemaakt van geladen quasideeltjes dat doen: zoals dikke regendruppels die op het dak van een auto spetteren. Maar in het vreemde metaal gleed de stroom stilletjes door de nanodraad, een effect dat lijkt op het bijna stille gesis van mist. De meest eenvoudige interpretatie van het experiment is dat de lading in dit vreemde metaal niet in stukjes ter grootte van een elektron stroomt.

“De experimentele gegevens leveren sterk bewijs dat quasideeltjes verloren gaan in het vreemde metaal,” zei Si.

Niet alle natuurkundigen zijn er echter volledig van overtuigd dat het experiment de quasideeltjes van Landau doodt. "Het is een zeer gewaagde bewering", zei hij Brad Ramshaw, een natuurkundige aan de Cornell Universiteit. “Je hebt dus gedurfde gegevens nodig.”

Een beperking van het experiment is dat de groep slechts één materiaal testte. Het feit dat de schotruis laag is in Chen's ytterbium-, rhodium- en siliciummengsel, garandeert niet dat deze laag is in andere vreemde metalen. En een eenmalige anomalie kan altijd worden toegeschreven aan een slecht begrepen detail over dat materiaal.

Ramshaw wees er ook op dat metalen met allerlei soorten rinkelen vreemde trillingen dat zou het schotgeluid in de stroming kunnen vervormen. Chen en zijn collega's sloten interferentie door de meer algemene trillingen uit, maar het is mogelijk dat een exotische rimpeling aan hun aandacht ontsnapte.

Niettemin vindt Ramshaw het experiment overtuigend. "Het is sterk motiverend voor mensen om andere dingen te proberen om te zien of deze ook consistent zijn zonder elektronen", zei hij.

Als het geen elektronen zijn, wat dan?

Als het beeld van de quasideeltjes blijft afbrokkelen, wat kan er dan voor in de plaats komen? Hoe verplaatst de stroom zich rond vreemde metalen als deze niet in elektronachtige ladingspakketten zit? Het is geen gemakkelijke situatie om te beschrijven, laat staan ​​om in nauwkeurige wiskundige termen te worden uitgedrukt. “Wat is de juiste woordenschat om te gebruiken,” zei Natelson, “als je het niet over quasideeltjes gaat hebben?”

Als ze worden ingedrukt, reageren natuurkundigen op deze vraag met een reeks metaforen voor wat er verschijnt als individuele elektronen verdwijnen: ze versmelten tot een verstrengelde kwantumsoep; ze stollen tot een gelei; ze vormen een schuimige puinhoop van lading die rond klotst. Filip Philips van Urbana-Champaign vergelijkt de elektronen van een vreemd metaal met het rubber in een band. Wanneer rubber uit een boom komt, liggen de moleculen ervan in individuele strengen. Maar tijdens het vulkanisatieproces veranderen deze snaren in een robuust net. Uit de verzameling individuen ontstaat een nieuwe substantie. “Je krijgt iets dat groter is dan de som der delen”, zei hij. “De elektronen zelf hebben geen integriteit.”

Om verder te gaan dan vage beschrijvingen van het ontstaan, hebben natuurkundigen een nauwkeurige wiskundige beschrijving nodig: een nog niet ontdekte Fermi-vloeistoftheorie voor vreemde metalen. Sachdev hielp begin jaren negentig bij de ontwikkeling van één simplistische kandidaat, het SYK-model. Het had de lineaire weerstand goed, maar het had helemaal niets te maken met echte materialen gemaakt van een echt raster van atomen. Om te beginnen was er geen ruimte; alle elektronen bevinden zich op een enkel punt waar ze willekeurig op elkaar inwerken en verstrikt raken met alle andere elektronen.

De afgelopen jaren heeft Sachdev, Aavishkar Patel van het Flatiron Institute, en hun medewerkers hebben eraan gewerkt ruimte brengen in het SYK-model. Ze verspreiden elektroneninteracties door de ruimte door rekening te houden met de effecten van fouten in het atoomrooster: plekken waar atomen zijn verdwenen of waar extra atomen zijn verschenen. Deze verstrooiing van atomaire onvolkomenheden veroorzaakt willekeurige variaties in de manier waarop elektronenparen op elkaar inwerken en verstrengeld raken. Het resulterende tapijt van verstrengelde elektronen heeft een lineair stijgende weerstand – het kenmerk van een vreemd metaal. Ze hebben onlangs hun raamwerk gebruikt schotgeluid berekenen ook. De cijfers komen niet helemaal overeen met de waarnemingen van Chen, maar ze vormen hetzelfde kwalitatieve patroon. “Alle trends kloppen”, zei Sachdev.

Andere onderzoekers benadrukken dat de theoretische situatie nog steeds veranderlijk is. Het is voor sommigen niet duidelijk of materialen die zo verschillend van elkaar zijn als platen van grafeen en cuprate-supergeleiders allemaal een reeks tekortkomingen kunnen delen die vergelijkbaar genoeg zijn om de gemeenschappelijke vreemde-metaaleigenschappen in de manier vereist door de theorie van Sachdev en Patel. En alternatieve theorieën zijn er in overvloed. Phillips vermoedt bijvoorbeeld dat er vreemde metalen nodig zijn een opkomende vorm van elektromagnetisme dat is niet afhankelijk van hele elektronen. Si en Bühler-Paschen hebben ondertussen bijna twintig jaar doorgebracht ontwikkelen en verkennen a theorie voor hoe quasideeltjes oplossen wanneer een systeem op een “kwantumkritisch punt”, waarbij twee verschillende kwantummechanische toestanden strijden om de overhand. In het shot-noise-experiment brachten ze hun nanodraden naar precies zo’n kritiek punt.

Hoewel natuurkundigen het er nog niet over eens zijn waarom elektrische ladingen lijken op te lossen in vreemde metalen, of zelfs als ze echt oplossen, zijn ze vastbesloten daar achter te komen.

“Als we echt denken dat er een hele categorie metalen bestaat die we niet begrijpen,” zei Natelson, “is het belangrijk om die te begrijpen.”

Noot van de redactie: Het Flatiron Institute wordt gefinancierd door de Simons Foundation, die ook dit redactioneel onafhankelijke tijdschrift financiert. Noch het Flatiron Institute, noch de Simons Foundation hebben enige invloed op onze berichtgeving. Meer informatie beschikbaar hier.

Quanta voert een reeks onderzoeken uit om ons publiek beter van dienst te zijn. Neem onze lezersenquête natuurkunde en je doet mee om gratis te winnen Quanta handelswaar.