Poznaj dziwne metale: gdzie prąd może płynąć bez elektronów | Magazyn Quanta

Po roku prób i błędów Liyang Chenowi udało się skrócić metalowy drut do mikroskopijnej nici o szerokości połowy E.coli bakteria – na tyle cienka, aby umożliwić przepływ prądu elektrycznego. Chen miał nadzieję, że krople tego prądu pomogą rozwiązać uporczywą tajemnicę dotyczącą przemieszczania się ładunku przez zdumiewającą klasę materiałów zwanych dziwnymi metalami.

Chen, wówczas student, i jego współpracownicy z Rice University zmierzyli prąd przepływający przez cienkie jak atomy pasma metalu. I odkryli, że płynął gładko i równomiernie. W rzeczywistości tak równomiernie, że zaprzeczało standardowej koncepcji fizyków na temat elektryczności w metalach.

Kanonicznie prąd elektryczny wynika ze zbiorowego ruchu elektronów, z których każdy niesie jedną niepodzielną porcję ładunku elektrycznego. Ale martwa stabilność prądu Chena sugerowała, że ​​w ogóle nie składał się on z jednostek. To było jak znalezienie płynu, któremu w jakiś sposób brakowało indywidualnie rozpoznawalnych cząsteczek.

Choć może to zabrzmieć dziwacznie, właśnie tego oczekiwali niektórzy fizycy od metalu testowanego przez grupę, który wraz ze swoimi niezwykłymi krewnymi zwodził i zwodził fizyków od lat 1980. XX wieku. „To bardzo piękne dzieło” – powiedział Subir Sachdew, fizyk teoretyczny z Uniwersytetu Harvarda, specjalizujący się w dziwnych metalach.

obserwacja, poinformował w zeszłym tygodniu w dzienniku nauka, jest jedną z najprostszych wskazówek, że cokolwiek przewodzi prąd przez te niezwykłe metale, w niczym nie przypomina elektronów. Nowy eksperyment wzmacnia podejrzenia, że ​​w dziwnych metalach powstaje nowe zjawisko kwantowe. Dostarcza także nowej wiedzy dla fizyków teoretycznych próbujących zrozumieć, co to może być. 

„Dziwne metale, nikt nie ma zielonego pojęcia, skąd się biorą” – powiedział Piotra Abbamonta, fizyk z Uniwersytetu Illinois w Urbana-Champaign. „Kiedyś uważano to za niedogodność, ale teraz zdajemy sobie sprawę, że w tych rzeczach żyje naprawdę inna faza materii”.

Klucz miedziany

Pierwsze wyzwanie dla konwencjonalnego rozumienia metali pojawiło się w 1986 r., kiedy Georg Bednorz i Karl Alex Müller wstrząsnęli światem fizyki odkryciem nadprzewodników wysokotemperaturowych — materiałów, które doskonale przewodzą prąd elektryczny nawet w stosunkowo wysokich temperaturach. Znane metale, takie jak cyna i rtęć, stają się nadprzewodnikami dopiero po schłodzeniu do kilku stopni od zera absolutnego. Bednorz i Müller zmierzyli opór elektryczny w materiale na bazie miedzi („miedzianu”) i zaobserwowali, że zanika on przy stosunkowo łagodnej temperaturze 35 kelwinów. (Za swoje przełomowe odkrycie Bednorz i Müller zaledwie rok później otrzymali Nagrodę Nobla.)

Fizycy szybko zdali sobie sprawę, że nadprzewodnictwo wysokotemperaturowe to dopiero początek tajemniczego zachowania miedzianów.

Miedziany zrobiły się naprawdę dziwne, kiedy przestały nadprzewodzić i zaczęły stawiać opór. Gdy wszystkie metale się nagrzewają, opór wzrasta. Wyższe temperatury oznaczają, że atomy i elektrony drgają bardziej, powodując więcej zderzeń wywołujących opór, gdy elektrony przemieszczają prąd przez materiał. W normalnych metalach, takich jak nikiel, opór rośnie kwadratowo w niskich temperaturach — początkowo powoli, a potem coraz szybciej. Ale w miedzianach rosła liniowo: każdy stopień ocieplenia powodował taki sam wzrost oporu – dziwny wzór, który utrzymywał się przez setki stopni i pod względem dziwności przyćmił zdolność materiału do nadprzewodnictwa. Miedziany były najdziwniejszymi metalami, jakie badacze kiedykolwiek widzieli.

„Nadprzewodnictwo to mysz” – powiedział Andriej Czubukow, fizyk teoretyczny na Uniwersytecie w Minnesocie. „Słoń… to dziwne zachowanie metalu”.

Liniowy wzrost oporu zagroził słynnemu wyjaśnieniu, w jaki sposób ładunek elektryczny przemieszcza się przez metale. Zaproponowana w 1956 roku teoria „cieczy Fermiego” Leva Landaua umieściła elektrony w centrum tego wszystkiego. Opierał się na wcześniejszych teoriach, które dla uproszczenia zakładały, że elektrony przenoszą prąd elektryczny i że elektrony przemieszczają się przez metal jak gaz; swobodnie przelatują pomiędzy atomami, nie oddziałując ze sobą.

Landau dodał sposób poradzenia sobie z kluczowym, ale skomplikowanym faktem, że elektrony oddziałują. Są naładowane ujemnie, co oznacza, że ​​stale się odpychają. Biorąc pod uwagę, że interakcja między cząsteczkami przekształciła gaz elektronowy w coś w rodzaju oceanu – teraz, gdy jeden elektron przemieszczał się przez płyn elektronowy, zakłócał pobliskie elektrony. W wyniku skomplikowanej serii interakcji obejmujących wzajemne odpychanie, te obecnie delikatnie oddziałujące elektrony podróżowały w skupiskach zwanych kwazicząstkami.

Cud teorii cieczy Fermiego polegał na tym, że każda kwazicząstka zachowywała się niemal dokładnie tak, jakby była pojedynczym, podstawowym elektronem. Jedną z głównych różnic było jednak to, że te plamy poruszały się wolniej lub zwinniej (w zależności od materiału) niż goły elektron, w efekcie będąc cięższymi lub lżejszymi. Teraz, po prostu dostosowując składniki masowe w swoich równaniach, fizycy mogli nadal traktować prąd jako ruch elektronów, tylko z gwiazdką wskazującą, że każdy elektron jest w rzeczywistości zlepkiem kwazicząstek.

Wielkim triumfem koncepcji Landaua było to, że w przypadku normalnych metali udało się zastosować skomplikowany sposób, w jaki opór rośnie kwadratowo wraz z temperaturą. Kwazicząstki podobne do elektronów stały się standardowym sposobem rozumienia metali. „To jest w każdym podręczniku” – powiedział Sachdev.

Ale w przypadku miedzianów teoria Landaua dramatycznie się nie sprawdziła. Opór rósł po nieskazitelnej linii, a nie po standardowej krzywej kwadratowej. Fizycy od dawna interpretują tę linię jako znak, że miedziany są domem dla nowego zjawiska fizycznego.

„Trzeba wierzyć, że natura albo daje ci wskazówkę, albo jest niesamowicie okrutna” – stwierdził Grzegorza Boebingera, fizyk z Florida State University, który większość swojej kariery spędził na badaniu liniowej reakcji miedzianów. „Złożenie tak strasznie prostego i urzekającego podpisu, który nie jest fizycznie ważny, byłoby po prostu nie do zniesienia”.

A miedziany to był dopiero początek. Od tego czasu badacze odkryli a mnóstwo różnorodnych materiałów z tym samym kuszącym oporem liniowym, w tym organicznymi „solami Bechgaarda” i źle ustawionymi arkuszami grafenu. W miarę rozprzestrzeniania się tych „dziwnych metali” naukowcy zastanawiali się, dlaczego teoria płynu Fermiego Landaua zdaje się załamywać w przypadku tak różnych materiałów. Niektórzy zaczęli podejrzewać, że dzieje się tak dlatego, że w ogóle nie ma kwazicząstek; elektrony w jakiś sposób organizowały się w nowy, dziwny sposób, który przesłaniał jakąkolwiek indywidualność, podobnie jak dyskretna natura winogron ginie w butelce wina.

„To faza materii, w której elektron tak naprawdę nie ma tożsamości” – powiedział Abbamonte. „Mimo to [dziwny metal] jest metalem; w jakiś sposób przenosi prąd.

Ale nie można po prostu znieść elektronów. Dla niektórych naukowców potencjalnie ciągły prąd elektryczny – taki, który nie jest podzielony na elektrony – jest zbyt radykalny. I jakieś dziwne eksperymenty z metalem nadal odpowiadają pewnym przewidywaniom teorii Landaua. Utrzymujące się kontrowersje skłoniły promotora pracy Chena, Douglasa Natelsona z Rice University wraz ze swoim kolegą Qimiao Si, aby rozważyć, w jaki sposób mogliby bardziej bezpośrednio zbadać anatomię ładunku przemieszczającego się przez obcy metal.

„Co mógłbym zmierzyć, co by mi właściwie powiedziało, co się dzieje?” Zastanawiał się Natelson.

Anatomia elektryczności

Celem zespołu było zbadanie prądu w dziwnym metalu. Czy pojawił się w kawałkach ładunku wielkości elektronu? Czy to w ogóle przyszło w kawałkach? Aby się tego dowiedzieć, zainspirowali się klasycznym sposobem pomiaru wahań przepływu – „odgłosem wystrzału” – zjawiskiem, które można zrozumieć, jeśli pomyślimy o tym, w jaki sposób deszcz może spaść podczas burzy.

Wyobraź sobie, że siedzisz w samochodzie i z wiarygodnej prognozy pogody wiesz, że w ciągu najbliższej godziny spadnie 5 milimetrów deszczu. Te 5 milimetrów to całkowity prąd elektryczny. Jeśli deszcz zostanie rozdzielony na kilka gigantycznych kropli, różnica w tym, kiedy krople uderzą w dach, będzie duża; czasami krople będą rozpryskiwać się jedna po drugiej, a innym razem będą rozmieszczone w odstępach. W tym przypadku hałas wystrzału jest wysoki. Jeśli jednak te same 5 milimetrów deszczu zamienią się w stałą mgiełkę drobnych kropelek, różnica w czasie przybycia – a co za tym idzie – również w zakresie hałasu wystrzału – będzie niewielka. Mgła będzie płynnie dostarczać co chwilę niemal taką samą ilość wody. W ten sposób odgłos wystrzału ujawnia wielkość kropli.

„Samo pomiar szybkości pojawiania się wody nie daje pełnego obrazu” – powiedział Natelson. „Pomiar wahań [tego kursu] mówi o wiele więcej”.

Podobnie, słuchanie trzasków prądu elektrycznego może powiedzieć ci o kawałkach ładunku, które go tworzą. Kawałki te są zwykle elektronopodobnymi kwazicząstkami Landaua. Rzeczywiście, rejestrowanie szumu śrutu w normalnym metalu jest powszechnym sposobem pomiaru podstawowego ładunku elektronu — 1.6 × 10^-19 kulomby.

Aby dotrzeć do serca prądu dziwnego metalu, zespół chciał zmierzyć hałas wystrzału. Jednak szum wystrzeliwania elektronicznego może zostać przesłonięty, jeśli elektrony zostaną popychane przez zmarszczki w siatce atomowej metalu. Aby uniknąć tego zamieszania, badacze przesyłają prąd przez przewody tak krótkie, że zmarszczki nie mają czasu, aby wpłynąć na elektrony. Druty te muszą mieć skalę nanoskopową.

Grupa zdecydowała się pracować z konkretnym dziwnym metalem składającym się z iterbu, rodu i krzemu, ponieważ wieloletni współpracownik Natelsona i Si, Silke Bühler-Paschen z Politechniki Wiedeńskiej opracował sposób hodowania materiału w folie o grubości zaledwie kilkudziesięciu nanometrów. To zadbało o jeden wymiar przestrzenny.

Następnie do Chena należało wymyślenie, jak pobrać te filmy i wyciąć drut o długości i szerokości zaledwie nanometrów.

W ciągu około roku Chen testował różne sposoby uszczuplania metalu poprzez skuteczne piaskowanie go atomami. Jednak w kolejnych próbach odkrył, że powstałe nanodruty doznały uszkodzeń na skalę atomową, które zniszczyły charakterystyczny opór liniowy dziwnego metalu. Po dziesiątkach prób dotarł do metody, która zadziałała: pokrył metal chromem, za pomocą strumienia argonu wydmuchał wszystko oprócz cienkiej linii dziwnego metalu chronionego chromem, a następnie zdjął chrom za pomocą kąpieli kwasu solnego.

W końcu Chen, który wiosną z sukcesem obronił doktorat i od tego czasu zaczął pracować w finansach, stworzył garść niemal doskonałych nanodrutów. Każdy z nich miał około 600 nanometrów długości i 200 nanometrów szerokości – czyli około 50 razy węższy niż czerwona krwinka.

Po schłodzeniu ich do lodowatej, jednocyfrowej temperatury Kelvina, badacze przepuścili prąd elektryczny przez dziwne metalowe nanodruty. Przepuścili także prąd przez nanodruty wykonane ze zwykłego złota. Prąd w złotym drucie trzaskał w znany sposób, jak prądy utworzone z naładowanych kwazicząstek – jak grube krople deszczu rozpryskujące się na dachu samochodu. Ale w dziwnym metalu prąd cicho przepływał przez nanodrut, efekt podobny do niemal bezgłośnego syku mgły. Najprostsza interpretacja eksperymentu jest taka, że ​​ładunek w tym dziwnym metalu nie przepływa w kawałkach wielkości elektronu.

„Dane eksperymentalne dostarczają mocnych dowodów na to, że kwazicząstki giną w dziwnym metalu” – stwierdził Si.

Nie wszyscy fizycy są jednak całkowicie przekonani, że eksperyment zabija kwazicząstki Landaua. „To bardzo odważne twierdzenie” – stwierdził Brada Ramshawa, fizyk z Cornell University. „Potrzebujesz więc odważnych danych”.

Jednym z ograniczeń eksperymentu jest to, że grupa testowała tylko jeden materiał. To, że hałas wystrzału w mieszance iterbu, rodu i krzemu Chena jest niski, nie gwarantuje, że będzie on niski w przypadku innych dziwnych metali. A jednorazową anomalię zawsze można przypisać słabo poznanym szczegółom dotyczącym tego materiału.

Ramshaw zwrócił również uwagę, że metale dzwonią wszelkiego rodzaju dziwne wibracje które mogłyby zniekształcić szum strzału w nurcie. Chen i jego współpracownicy wykluczyli zakłócenia powodowane przez bardziej powszechne wibracje, ale możliwe jest, że jakieś egzotyczne fale umknęły ich uwadze.

Niemniej jednak Ramshaw uważa eksperyment za przekonujący. „To silnie motywuje ludzi do próbowania innych rzeczy, aby sprawdzić, czy są one również spójne z brakiem elektronów” – powiedział.

Jeśli nie elektrony, to co?

Jeśli obraz kwazicząsteczkowy nadal się rozpada, co może go zastąpić? W jaki sposób prąd przemieszcza się wokół obcych metali, jeśli nie w elektronopodobnych paczkach ładunku? Nie jest łatwo opisać tę sytuację, a tym bardziej przedstawić ją w precyzyjnych terminach matematycznych. „Jakiego słownictwa użyć”, powiedział Natelson, „jeśli nie zamierzasz rozmawiać o kwazicząsteczkach?”

Po naciśnięciu fizycy odpowiadają na to pytanie drżącymi metaforami opisującymi to, co pojawia się, gdy znikają pojedyncze elektrony: łączą się one w splątaną zupę kwantową; zastygają w galaretę; tworzą spienioną masę rozlewającego się ładunku. Filip Phillips Urbana-Champaign porównuje elektrony dziwnego metalu do gumy w oponie. Kiedy guma spada z drzewa, jej cząsteczki łączą się w pojedyncze sznurki. Jednak podczas procesu wulkanizacji struny te przekształcają się w wytrzymałą siatkę. Ze zbioru jednostek wyłania się nowa substancja. „Otrzymujesz coś, co jest większe niż suma jego części” – powiedział. „Same elektrony nie mają integralności”.

Aby wyjść poza niejasne opisy pojawiania się, fizycy potrzebują dokładnego opisu matematycznego — nieodkrytej jeszcze teorii płynu Fermiego dla dziwnych metali. Na początku lat 1990. Sachdev pomógł opracować jeden uproszczony kandydat – model SYK. Udało mu się uzyskać prawidłowy opór liniowy, ale nie miało to nic wspólnego z prawdziwymi materiałami zbudowanymi z prawdziwej siatki atomów. Po pierwsze, nie było w nim miejsca; wszystkie elektrony znajdują się w jednym punkcie, w którym losowo oddziałują i splątują się ze wszystkimi innymi elektronami.

W ciągu ostatnich kilku lat Sachdev Aawiszkar Patel Instytutu Flatiron i nad którym pracowali ich współpracownicy wprowadzając przestrzeń do modelu SYK. Rozprzestrzeniali interakcje elektronów w przestrzeni, biorąc pod uwagę skutki wad w sieci atomowej — miejsc, w których zniknęły atomy lub pojawiły się dodatkowe atomy. To pylenie niedoskonałości atomowych powoduje przypadkowe zmiany w sposobie interakcji par elektronów i ich splątaniu. Powstały gobelin splątanych elektronów ma liniowo rosnący opór – cecha charakterystyczna dziwnego metalu. Niedawno wykorzystali swój framework do obliczenia hałasu wystrzału również. Liczby nie do końca pokrywają się z obserwacjami Chena, ale tworzą ten sam wzór jakościowy. „Wszystkie trendy są słuszne” – stwierdził Sachdev.

Inni badacze podkreślają, że sytuacja teoretyczna pozostaje płynna — dla niektórych nie jest jasne, czy materiały tak różne od siebie, jak arkusze grafenu i nadprzewodniki miedzianowe, mogą mieć podobny zestaw wad na tyle podobny, aby wytworzyć wspólne właściwości dziwnego metalu w sposób wymagany przez teorię Sachdeva i Patela. Istnieje mnóstwo alternatywnych teorii. Phillips na przykład podejrzewa, że ​​wymagają tego dziwne metale wyłaniająca się forma elektromagnetyzmu który nie opiera się na całych elektronach. Tymczasem Si i Bühler-Paschen przepracowali prawie 20 lat rozwijając się i eksplorując a teoria jak kwazicząstki rozpuszczają się, gdy układ znajduje się w „kwantowy punkt krytyczny”, gdzie o przewagę walczą dwa różne stany mechaniki kwantowej. W eksperymencie z szumem wystrzału doprowadzili swoje nanodruty właśnie do takiego punktu krytycznego.

Chociaż fizycy nie są jeszcze zgodni co do tego, dlaczego ładunki elektryczne wydają się rozpuszczać w dziwnych metalach lub nawet jeśli rzeczywiście się rozpuszczają, są zdeterminowani, aby się tego dowiedzieć.

„Jeśli naprawdę uważamy, że istnieje cała kategoria metali, której nie rozumiemy” – powiedział Natelson – „ważne jest, aby je zrozumieć”.

Nota wydawcy: Instytut Flatiron jest finansowany przez Fundację Simonsa, która finansuje także to niezależne redakcyjnie czasopismo. Ani Instytut Flatiron, ani Fundacja Simonsa nie mają żadnego wpływu na nasz zasięg. Więcej informacji dostępnych tutaj.

Quanta przeprowadza serię ankiet, aby lepiej służyć naszym odbiorcom. Weź nasze ankieta dla czytelników fizyki i zostaniesz wpisany, aby wygrać za darmo Quanta towar.