Faceți cunoștință cu metale ciudate: unde electricitatea poate curge fără electroni | Revista Quanta

După un an de încercări și erori, Liyang Chen reușise să taie un fir metalic într-un fir microscopic de jumătate de lățimea unui E coli bacterie - suficient de subțire pentru a permite trecerea unui firicel de curent electric. Picăturile acelui curent ar putea, spera Chen, să ajute la soluționarea unui mister persistent despre modul în care sarcina se mișcă printr-o clasă uluitoare de materiale cunoscute sub numele de metale ciudate.

Chen, pe atunci student absolvent, și colaboratorii săi de la Universitatea Rice au măsurat curentul care curge prin atomii lor - un fir subțire de metal. Și au descoperit că curgea lin și uniform. Atât de uniform, de fapt, încât a sfidat concepția standard a fizicienilor despre electricitatea în metale.

Canonic, curentul electric rezultă din mișcarea colectivă a electronilor, fiecare purtând o bucată indivizibilă de sarcină electrică. Dar stabilitatea moartă a curentului lui Chen presupunea că nu era deloc făcut din unități. A fost ca și cum ai găsi un lichid căruia îi lipsesc cumva molecule recunoscute individual.

Deși asta ar putea suna ciudat, este exact ceea ce unii fizicieni se așteptau de la metalul testat de grup, care, împreună cu rudele sale neobișnuite, i-a amăgit și derutat pe fizicieni încă din anii 1980. „Este o lucrare foarte frumoasă”, a spus Subir Sachdev, un fizician teoretician la Universitatea Harvard care este specializat în metale ciudate.

Observatia, a raportat săptămâna trecută în revista Ştiinţă, este unul dintre cele mai simple indicații de până acum că orice transportă curent prin aceste metale neobișnuite nu seamănă deloc cu electronii. Noul experiment întărește suspiciunile că un nou fenomen cuantic apare în metale ciudate. De asemenea, oferă o nouă bază pentru fizicienii teoreticieni care încearcă să înțeleagă ce ar putea fi. 

„Metale ciudate, nimeni nu are nicio idee pământească de unde vin”, a spus Petru Abbamonte, fizician la Universitatea din Illinois, Urbana-Champaign. „Odinioară era considerat un inconvenient, dar acum ne dăm seama că este într-adevăr o fază diferită a materiei care trăiește în aceste lucruri.”

O cheie Cuprate

Prima provocare pentru înțelegerea convențională a metalelor a venit în 1986, când Georg Bednorz și Karl Alex Müller au zguduit lumea fizicii cu descoperirea supraconductoarelor de înaltă temperatură - materiale care transportă perfect curentul electric chiar și la temperaturi relativ calde. Metalele cunoscute precum staniul și mercurul devin supraconductori numai atunci când sunt răcite la câteva grade de zero absolut. Bednorz și Müller au măsurat rezistența electrică într-un material pe bază de cupru („cuprat”) și au văzut că acesta a dispărut la o valoare relativ bună de 35 kelvin. (Pentru descoperirea lor revoluționară, Bednorz și Müller au luat în buzunar un Premiu Nobel doar un an mai târziu.)

Fizicienii și-au dat seama curând că supraconductivitatea la temperatură înaltă a fost doar începutul comportamentului misterios al cupraților.

Cupratii au devenit foarte ciudați când au încetat să mai conducă și au început să reziste. Pe măsură ce toate metalele se încălzesc, rezistența crește. Temperaturile mai calde înseamnă că atomii și electronii se agită mai mult, creând mai multe ciocniri care inducă rezistență, pe măsură ce electronii transferă curentul printr-un material. În metalele normale, cum ar fi nichelul, rezistența crește pătratic la temperaturi scăzute - la început lent și apoi din ce în ce mai rapid. Dar la cuprați, a crescut liniar: fiecare grad de încălzire a adus aceeași creștere a rezistenței - un model bizar care a continuat peste sute de grade și, în termeni de ciudățenie, a umbrit capacitatea de supraconductor a materialului. Cuprații erau cele mai ciudate metale pe care cercetătorii le-au văzut vreodată.

„Superconductivitatea este un șoarece”, a spus Andrei Cibukov, un fizician teoretician la Universitatea din Minnesota. „Elefantul... este acest comportament ciudat de metal.”

Creșterea liniară a rezistenței a amenințat o explicație celebrată a modului în care sarcina electrică se mișcă prin metale. Propusă în 1956, teoria „Lichidului Fermi” a lui Lev Landau a plasat electronii în centrul tuturor. S-a bazat pe teorii anterioare care, pentru simplitate, presupuneau că electronii transportă curent electric și că electronii se mișcă printr-un metal ca un gaz; zboară liber între atomi fără a interacționa între ei.

Landau a adăugat o modalitate de a gestiona faptul crucial, dar complicat, că electronii interacționează. Sunt încărcate negativ, ceea ce înseamnă că se resping reciproc în mod constant. Având în vedere această interacțiune între particule a transformat gazul de electroni într-un fel de ocean - acum, pe măsură ce un electron se mișca prin fluidul de electroni, a perturbat electronii din apropiere. Printr-o serie complicată de interacțiuni care implică repulsie reciprocă, acești electroni care interacționează ușor au ajuns să călătorească în mulțimi - în aglomerări cunoscute sub numele de cvasiparticule.

Miracolul teoriei lichidului Fermi a fost că fiecare cvasiparticulă se comporta aproape exact ca și cum ar fi un singur electron fundamental. O diferență majoră, totuși, a fost că aceste blobs s-au mișcat mai lent sau mai agil (în funcție de material) decât un electron gol, acționând efectiv mai greu sau mai ușor. Acum, doar ajustând termenii de masă din ecuațiile lor, fizicienii puteau continua să trateze curentul ca mișcare a electronilor, doar cu un asterisc care specifică că fiecare electron era într-adevăr o grămadă de cvasiparticule.

Un triumf major al cadrului lui Landau a fost că, în metalele normale, a reușit modul complicat în care rezistența crește pătratic cu temperatura. Cvasiparticulele asemănătoare electronilor au devenit modul standard de înțelegere a metalelor. „Este în fiecare manual”, a spus Sachdev.

Dar în cuprates, teoria lui Landau a eșuat dramatic. Rezistența a crescut într-o linie imaculată, mai degrabă decât în ​​curba pătratică standard. Fizicienii au interpretat de multă vreme această linie ca un semn că cuprații găzduiesc un nou fenomen fizic.

„Aproape trebuie să crezi că natura fie îți dă un indiciu, fie natura este incredibil de crudă”, a spus Gregory Boebinger, un fizician la Universitatea de Stat din Florida, care și-a petrecut o mare parte din cariera studiind răspunsul liniar al cupraților. „A pune o semnătură atât de simplă și ademenitoare și să nu fie importantă din punct de vedere fizic ar fi prea mult de suportat.”

Și cuprații au fost doar începutul. De atunci, cercetătorii au descoperit o multitudine de materiale disparate cu aceeași rezistență liniară atrăgătoare, inclusiv „săruri Bechgaard” organice și foi de grafen nealiniate. Pe măsură ce aceste „metale ciudate” au proliferat, oamenii de știință s-au întrebat de ce teoria fluidului Fermi a lui Landau părea să se descompună în toate aceste materiale diferite. Unii au ajuns să bănuiască că asta se datorează faptului că nu existau deloc cvasiparticule; electronii se organizau cumva într-un mod ciudat și nou, care întuneca orice individualitate, la fel cum natura discretă a strugurilor se pierde într-o sticlă de vin.

„Este o fază a materiei în care un electron cu adevărat nu are identitate”, a spus Abbamonte. „Cu toate acestea, [un metal ciudat] este un metal; duce cumva curent.”

Dar nu se elimină pur și simplu electronii. Pentru unii oameni de știință, un curent electric potențial continuu – unul care nu este împărțit în electroni – este prea radical. Și niște experimente ciudate cu metale continuă să se potrivească cu anumite predicții ale teoriei lui Landau. Controversa persistentă l-a determinat pe consilierul de teză al lui Chen, Douglas Natelson de la Universitatea Rice, împreună cu colegul său Qimiao Si, pentru a lua în considerare modul în care ar putea examina mai direct anatomia încărcăturii care se mișcă printr-un metal ciudat.

„Ce aș putea măsura, care să-mi spună de fapt ce se întâmplă?” se întrebă Natelson.

Anatomia electricității

Scopul echipei a fost să disece curentul într-un metal ciudat. A venit în bucăți de sarcină de mărimea unui electron? A venit deloc în bucăți? Pentru a afla, s-au inspirat dintr-un mod clasic de măsurare a fluctuațiilor unui debit – „zgomotul împușcăturii” – un fenomen care poate fi înțeles dacă ne gândim la modurile în care ar putea cădea ploaia în timpul unei furtuni.

Imaginează-ți că stai în mașină și știi dintr-o prognoză meteo de încredere că 5 milimetri de ploaie vor cădea în următoarea oră. Acei 5 milimetri sunt ca curentul electric total. Dacă acea ploaie este împărțită într-o mână de picături uriașe, variația când acele picături ating acoperișul tău va fi mare; uneori, picăturile vor stropi spate în spate, iar alteori vor fi distanțate. În acest caz, zgomotul de împușcare este ridicat. Dar dacă aceiași 5 milimetri de ploaie sunt răspândiți într-o ceață constantă de picături mici, variația timpului de sosire - și, prin urmare, zgomotul de împușcare - va fi scăzută. Ceața va livra fără probleme aproape aceeași cantitate de apă din moment în moment. În acest fel, zgomotul de împușcare dezvăluie dimensiunea picăturilor.

„Doar măsurarea ratei cu care apare apa nu vă spune întreaga imagine”, a spus Natelson. „Măsurarea fluctuațiilor [în acea rată] vă spune mult mai multe.”

În mod similar, ascultarea trosnetului curentului electric vă poate spune despre bucățile de sarcină care îl compun. Acele bucăți sunt în mod normal cvasiparticulele lui Landau asemănătoare electronilor. Într-adevăr, înregistrarea zgomotului de împușcare într-un metal normal este o modalitate obișnuită de a măsura sarcina fundamentală a electronului - 1.6 × 10^-19 coulombii.

Pentru a ajunge la inima curentului unui metal ciudat, echipa a vrut să măsoare zgomotul de împușcături. Dar zgomotul de împușcături electronice poate fi ascuns dacă electronii sunt împinși de ondulații în rețeaua atomică a unui metal. Pentru a evita acest fuzz, cercetătorii trimit curent prin fire atât de scurte încât ondulațiile nu au timp să influențeze electronii. Aceste fire trebuie să fie nanoscopice la scară.

Grupul a ales să lucreze cu un metal ciudat special făcut din iterbiu, rodiu și siliciu, deoarece colaboratorul de multă vreme a lui Natelson și Si, Silke Bühler-Paschen de la Universitatea de Tehnologie din Viena, a descoperit cum să crească materialul în filme de doar zeci de nanometri grosime. Asta a avut grijă de o dimensiune spațială.

Apoi i-a revenit lui Chen să găsească cum să ia acele filme și să creeze un fir care măsoară doar nanometri în lungime și lățime.

Pe parcursul a aproximativ un an, Chen a testat diferite moduri de a tăia metalul prin sablare eficientă cu atomi. Dar, încercări după încercări, el a descoperit că nanofirele rezultate au suferit daune la scară atomică care au distrus rezistența liniară caracteristică a metalului ciudat. După zeci de încercări, a ajuns la un proces care a funcționat: a placat metalul cu crom, a folosit un curent de gaz argon pentru a îndepărta totul, cu excepția unei linii subțiri de metal ciudat protejat de crom, apoi a îndepărtat cromul cu o baie. de acid clorhidric.

În cele din urmă, Chen, care și-a câștigat cu succes doctoratul în primăvară și de atunci a plecat să lucreze în finanțe, a creat o mână de nanofire aproape impecabile. Fiecare avea aproximativ 600 de nanometri lungime pe 200 de nanometri lățime - de aproximativ 50 de ori mai îngust decât un globule roșu.

După ce le-au răcit la temperaturi frigide, cu o singură cifră Kelvin, cercetătorii au trecut curent electric prin nanofirele metalice ciudate. De asemenea, au trecut curent prin nanofire făcute din aur normal. Curentul din firul de aur trosnea în modul familiar în care fac curenții formați din cvasiparticule încărcate - ca picăturile de ploaie grăsimi care stropesc pe plafonul mașinii. Dar în metalul ciudat, curentul a alunecat liniștit prin nanofir, un efect asemănător cu șuieratul aproape tăcut al ceaței. Cea mai simplă interpretare a experimentului este că sarcina din acest metal ciudat nu curge în bucăți de dimensiunea unui electron.

„Datele experimentale oferă dovezi puternice că cvasiparticulele se pierd în metalul ciudat”, a spus Si.

Cu toate acestea, nu toți fizicienii sunt pe deplin convinși că experimentul ucide cvasiparticulele lui Landau. „Este o afirmație foarte îndrăzneață”, a spus Brad Ramshaw, fizician la Universitatea Cornell. „Deci aveți nevoie de date îndrăznețe.”

O limitare a experimentului este că grupul a testat un singur material. Doar pentru că zgomotul de împușcare este scăzut în amestecul de iterbiu, rodiu și siliciu al lui Chen, asta nu garantează că este scăzut în alte metale ciudate. Și o anomalie unică poate fi întotdeauna atribuită unor detalii prost înțelese despre acel material.

Ramshaw a subliniat, de asemenea, că metalele sună cu tot felul de vibratii ciudate care ar putea distorsiona zgomotul de împușcare în curent. Chen și colegii săi au exclus interferența de la vibrațiile mai comune, dar este posibil ca o undă exotică să le fi susținut atenția.

Cu toate acestea, Ramshaw consideră experimentul convingător. „Este foarte motivant pentru oameni să încerce să facă alte lucruri pentru a vedea dacă sunt, de asemenea, în concordanță fără electroni”, a spus el.

Dacă nu electroni, atunci ce?

Dacă imaginea de cvasiparticule continuă să se prăbușească, ce ar putea-o înlocui? Cum se mișcă curentul în jurul metalelor ciudate dacă nu în pachete de încărcare asemănătoare electronilor? Nu este o situație ușor de descris, cu atât mai puțin pusă în termeni matematici precisi. „Care este vocabularul potrivit de folosit”, a spus Natelson, „dacă nu vei vorbi despre cvasiparticule?”

Când sunt apăsați, fizicienii răspund la această întrebare cu o tolbă de metafore pentru ceea ce apare atunci când electronii individuali dispar: ei se topesc într-o supă cuantică încurcată; se îngheață într-un jeleu; ele formează o mizerie spumoasă de încărcătură zvâcnind în jur. Philip Phillips de Urbana-Champaign aseamănă electronii unui metal ciudat cu cauciucul dintr-o anvelopă. Când cauciucul iese dintr-un copac, moleculele sale se aliniază în șiruri individuale. Dar în timpul procesului de vulcanizare, aceste șiruri se transformă într-o plasă robustă. Din colecția de indivizi iese o substanță nouă. „Primești ceva care este mai mare decât suma părților sale”, a spus el. „Electronii înșiși nu au integritate.”

Pentru a depăși descrierile vagi ale apariției, fizicienii au nevoie de o descriere matematică precisă - o teorie a fluidului Fermi, încă nedescoperită, pentru metale ciudate. Sachdev a ajutat la dezvoltarea unui candidat simplist, modelul SYK, la începutul anilor 1990. Are rezistența liniară corectă, dar nu avea absolut nimic de-a face cu materialele reale făcute dintr-o rețea reală de atomi. În primul rând, nu avea spațiu; toți electronii stau într-un singur punct în care interacționează aleatoriu și se încurcă cu toți ceilalți electroni.

În ultimii doi ani, Sachdev, Aavishkar Patel al Institutului Flatiron și colaboratorii lor au lucrat aducând spațiu în modelul SYK. Ei răspândesc interacțiunile electronilor în spațiu, luând în considerare efectele defectelor din rețeaua atomică - puncte în care atomii au dispărut sau au apărut atomi în plus. Această prăfuire a imperfecțiunilor atomice provoacă variații aleatorii în modul în care perechile de electroni interacționează și se încurcă. Tapiseria rezultată de electroni încâlciți are o rezistență în creștere liniară - semnul distinctiv al unui metal ciudat. Au folosit recent cadrul lor pentru a calcula zgomotul de împușcare de asemenea. Cifrele nu se potrivesc cu observațiile lui Chen, dar formează același model calitativ. „Toate tendințele sunt corecte”, a spus Sachdev.

Alți cercetători subliniază că situația teoretică rămâne fluidă - pentru unii nu este clar dacă materialele atât de distincte unele de altele precum foile de supraconductori de grafen și cuprat ar putea avea toate în comun o gamă suficient de similară de defecte pentru a produce proprietățile comune ale metalelor ciudate. modul cerut de teoria lui Sachdev și Patel. Și teoriile alternative abundă. Phillips, de exemplu, bănuiește că metalele ciudate necesită o formă emergentă de electromagnetism care nu se bazează pe electroni întregi. Si și Bühler-Paschen, între timp, au petrecut aproape 20 de ani dezvoltarea și explorarea a teorie pentru modul în care cvasiparticulele se dizolvă atunci când un sistem se află la un „punct critic cuantic”, unde două stări mecanice cuantice diferite se luptă pentru mâna de sus. În experimentul de zgomot, și-au adus nanofirele la un punct atât de critic.

Deși fizicienii nu sunt încă de acord cu privire la motivul pentru care sarcinile electrice par să se dizolve în interiorul metalelor ciudate sau chiar dacă se dizolvă cu adevărat, ei sunt hotărâți să afle.

„Dacă credem cu adevărat că există o întreagă categorie de metale pe care nu le înțelegem”, a spus Natelson, „este important să le înțelegem”.

Nota editorului: Institutul Flatiron este finanțat de Fundația Simons, care finanțează și această revistă independentă din punct de vedere editorial. Nici Institutul Flatiron, nici Fundația Simons nu au nicio influență asupra acoperirii noastre. Mai multe informații disponibile aici.

Cuante efectuează o serie de sondaje pentru a servi mai bine publicul nostru. Ia-ne sondaj cititor de fizică și vei fi înscris pentru a câștiga gratuit Cuante mărfuri.