Spoznajte nenavadne kovine: kje elektrika lahko teče brez elektronov | Revija Quanta

Po letu poskusov in napak je Liyang Chenu uspelo skrajšati kovinsko žico v mikroskopsko pramen širine polovice E.coli bakterija — ravno dovolj tanka, da lahko preide curek električnega toka. Chen je upal, da bi kapljice tega toka lahko pomagale razrešiti vztrajno skrivnost o tem, kako se naboj premika skozi osupljivo skupino materialov, znanih kot čudne kovine.

Chen, takrat podiplomski študent, in njegovi sodelavci na univerzi Rice so izmerili tok, ki teče skozi njihovo kot atom tanko kovinsko nit. In ugotovili so, da teče gladko in enakomerno. Pravzaprav tako enakomerno, da je nasprotoval standardnemu konceptu fizikov o elektriki v kovinah.

Kanonično je električni tok posledica skupnega gibanja elektronov, od katerih vsak nosi en nedeljiv kos električnega naboja. Toda mrtva stabilnost Chenovega toka je pomenila, da sploh ni sestavljen iz enot. Bilo je, kot da bi našli tekočino, ki ji nekako manjkajo posamezno prepoznavne molekule.

Čeprav se to morda sliši nenavadno, je to natanko tisto, kar so nekateri fiziki pričakovali od kovine, ki jo je testirala skupina in ki je skupaj s svojo nenavadno sorodnostjo zavajala in begala fizike od osemdesetih let prejšnjega stoletja. "To je zelo lepo delo," je rekel Subir Sachdev, teoretični fizik na univerzi Harvard, ki je specializiran za čudne kovine.

Opazovanje, poročali prejšnji teden v reviji Znanost, je eden najbolj enostavnih dokazov do zdaj, da karkoli prenaša tok skozi te nenavadne kovine, ni videti kot elektroni. Nov eksperiment krepi sume, da se v nenavadnih kovinah pojavlja nov kvantni pojav. Zagotavlja tudi novo zrnje za teoretične fizike, ki poskušajo razumeti, kaj bi to lahko bilo. 

"Nenavadne kovine, nihče nima zemeljskega pojma, od kod prihajajo," je rekel Peter Abbamonte, fizik na Univerzi Illinois, Urbana-Champaign. "Včasih je veljalo za nevšečnost, zdaj pa se zavedamo, da gre v resnici za drugačno fazo materije, ki živi v teh stvareh."

Cuprate ključ

Prvi izziv konvencionalnemu razumevanju kovin je prišel leta 1986, ko sta Georg Bednorz in Karl Alex Müller pretresla svet fizike s svojim odkritjem visokotemperaturnih superprevodnikov – materialov, ki odlično prenašajo električni tok tudi pri razmeroma visokih temperaturah. Znane kovine, kot sta kositer in živo srebro, postanejo superprevodniki šele, ko se ohladijo na nekaj stopinj absolutne ničle. Bednorz in Müller sta izmerila električni upor v materialu na osnovi bakra ("kuprat") in ugotovila, da je izginil pri razmeroma ugodnih 35 kelvinih. (Za svoje prelomno odkritje sta Bednorz in Müller samo leto pozneje v žep pospravila Nobelovo nagrado.)

Fiziki so kmalu spoznali, da je visokotemperaturna superprevodnost le začetek skrivnostnega obnašanja kupratov.

Kuprati so postali res čudni, ko so prenehali biti superprevodni in se začeli upirati. Ko se vse kovine segrejejo, se odpornost poveča. Višje temperature pomenijo, da se atomi in elektroni bolj premikajo, kar povzroča več trkov, ki povzročajo upor, ko elektroni premikajo tok skozi material. Pri običajnih kovinah, kot je nikelj, se upornost pri nizkih temperaturah poveča kvadratno - najprej počasi, nato pa vedno hitreje. Toda v kupratih se je povečala linearno: vsaka stopnja segrevanja je prinesla enako povečanje odpornosti - bizaren vzorec, ki se je nadaljeval čez stotine stopinj in je v smislu nenavadnosti zasenčil superprevodno sposobnost materiala. Kuprati so bili najbolj nenavadne kovine, kar so jih raziskovalci kdaj videli.

"Superprevodnost je miš," je rekel Andrej Čubukov, teoretični fizik na Univerzi v Minnesoti. "Slon ... je to čudno kovinsko vedenje."

Linearni porast upora je ogrozil slavno razlago, kako se električni naboj giblje skozi kovine. Leta 1956 predlagana teorija Leva Landaua o "Fermijevi tekočini" je postavila elektrone v središče vsega. Gradil je na prejšnjih teorijah, ki so zaradi preprostosti domnevale, da elektroni prenašajo električni tok in da se elektroni gibljejo skozi kovino kot plin; prosto švigajo med atomi, ne da bi medsebojno delovali.

Landau je dodal način ravnanja s ključnim, a zapletenim dejstvom, da elektroni medsebojno delujejo. So negativno nabiti, kar pomeni, da se nenehno odbijajo. Glede na to interakcijo med delci je elektronski plin spremenil v nekaj oceana - zdaj, ko se je en elektron premikal skozi tekočino elektronov, je motil bližnje elektrone. Skozi zapleteno serijo interakcij, ki vključujejo medsebojno odbojnost, so ti zdaj nežno medsebojno delujoči elektroni na koncu potovali v množicah – v kepah, znanih kot kvazidelci.

Čudež teorije Fermijeve tekočine je bil v tem, da se je vsak kvazidelec obnašal skoraj natanko tako, kot da bi bil en sam osnovni elektron. Ena od večjih razlik pa je bila v tem, da so se ti madeži premikali počasneje ali bolj okretno (odvisno od materiala) kot goli elektron in dejansko delovali težje ali lažje. Zdaj bi lahko fiziki samo s prilagoditvijo masnih členov v svojih enačbah še naprej obravnavali tok kot gibanje elektronov, le z zvezdico, ki določa, da je bil vsak elektron v resnici gruča kvazidelcev.

Velika zmaga Landauovega okvira je bila, da je v običajnih kovinah zakoličil zapleten način, na katerega upor narašča kvadratno s temperaturo. Elektronom podobni kvazidelci so postali standardni način razumevanja kovin. "To je v vsakem učbeniku," je dejal Sachdev.

Toda pri kupratih je Landauova teorija dramatično propadla. Odpornost se je povečala v brezhibni liniji namesto standardne kvadratne krivulje. Fiziki so to črto dolgo razlagali kot znak, da so kuprati dom novega fizikalnega pojava.

"Verjeti moraš, da ti narava bodisi daje namig ali pa je narava neverjetno kruta," je rekel Gregory Boebinger, fizik na Florida State University, ki je večino svoje kariere posvetil preučevanju linearnega odziva kupratov. "Postaviti tako strašno preprost in zapeljiv podpis in da ne bi bil fizično pomemben, bi bilo preprosto preveč za prenašati."

In kuprati so bili šele začetek. Raziskovalci so od takrat odkrili a množico različnih materialov z enako privlačno linearno odpornostjo, vključno z organskimi "Bechgaardovimi solmi" in neporavnanimi ploščami grafena. Ko so se te "čudne kovine" množile, so se znanstveniki spraševali, zakaj se zdi, da se Landauova teorija o Fermijevi tekočini pokvari v vseh teh različnih materialih. Nekateri so začeli sumiti, da je to zato, ker kvazidelcev sploh ni bilo; elektroni so se nekako organizirali na nenavaden nov način, ki je zakril vsakršno individualnost, podobno kot se diskretna narava grozdja izgubi v steklenici vina.

"To je faza snovi, kjer elektron res nima identitete," je dejal Abbamonte. »Kljub temu je [nenavadna kovina] kovina; nekako nosi tok."

Toda elektronov preprosto ne odpravimo. Za nekatere znanstvenike je potencialno neprekinjen električni tok - tisti, ki ni razdeljen na elektrone - preveč radikalen. in nekaj čudnih kovinskih poskusov še naprej ustreza določenim napovedim Landauove teorije. Vztrajna polemika je spodbudila Chenovega svetovalca za diplomsko nalogo, Douglas Natelson univerze Rice, skupaj s svojim kolegom Qimiao Si, da razmislijo, kako bi lahko bolj neposredno preučili anatomijo naboja, ki se giblje skozi čudno kovino.

"Kaj bi lahko izmeril, kar bi mi dejansko povedalo, kaj se dogaja?" se je spraševal Natelson.

Anatomija elektrike

Cilj ekipe je bil secirati tok v nenavadni kovini. Ali je prišlo v kosih naboja velikosti elektronov? Ali je sploh prišlo v kosih? Da bi ugotovili, so črpali navdih iz klasičnega načina merjenja nihanj v pretoku - "strelnega hrupa" - pojava, ki ga lahko razumemo, če pomislimo na načine, na katere lahko pada dež med nevihto.

Predstavljajte si, da sedite v avtu in iz zanesljive vremenske napovedi veste, da bo v naslednji uri padlo 5 milimetrov dežja. Teh 5 milimetrov je kot skupni električni tok. Če je ta dež razdeljen na peščico velikanskih kapljic, bo razlika v tem, kdaj bodo te kapljice padle na vašo streho, velika; včasih bodo kapljice brizgale nazaj ob hrbet, drugič pa bodo razmaknjene. V tem primeru je hrup strele visok. Toda če se istih 5 milimetrov dežja razširi v stalno meglico drobnih kapljic, bo razlika v času prihoda – in s tem strelni hrup – majhna. Meglica bo gladko dovajala skoraj enako količino vode iz trenutka v trenutek. Na ta način šum strel razkriva velikost kapljic.

»Samo merjenje hitrosti, s katero se voda pojavi, vam ne pove celotne slike,« je dejal Natelson. "Merjenje nihanj [te stopnje] vam pove veliko več."

Podobno vam lahko poslušanje prasketanja električnega toka pove o delih naboja, ki ga sestavljajo. Ti kosi so običajno Landauovi elektronom podobni kvazidelci. Dejansko je snemanje strelnega hrupa v običajni kovini običajen način za merjenje osnovnega naboja elektrona - 1.6 × 10^-19 kuloni.

Da bi prišli do bistva toka nenavadne kovine, je ekipa želela izmeriti hrup streljanja. Toda elektronski strelni šum je mogoče zakriti, če elektrone potiskajo valovi v atomski mreži kovine. Da bi se temu izognili, raziskovalci pošljejo tok skozi tako kratke žice, da valovi nimajo časa vplivati ​​na elektrone. Te žice morajo biti nanoskopske velikosti.

Skupina se je odločila za delo s posebno nenavadno kovino iz iterbija, rodija in silicija, ker sta Natelson in Sijev dolgoletni sodelavec, Silke Bühler-Paschen z Dunajske tehnološke univerze je ugotovil, kako gojiti material v filmih, debelih le desetine nanometrov. To je poskrbelo za eno prostorsko dimenzijo.

Nato je Chen moral ugotoviti, kako vzeti te filme in izrezati žico, ki v dolžino in širino meri zgolj nanometre.

V približno enem letu je Chen preizkušal različne načine za tanjšanje kovine z učinkovitim peskanjem z atomi. Toda v poskusu za poskusom je ugotovil, da so nastale nanožice utrpele poškodbe atomskega obsega, ki so uničile značilno linearno odpornost nenavadne kovine. Po več desetih poskusih je pristal na postopku, ki je deloval: kovino je prekril s kromom, uporabil tok plina argona, da je odstrelil vse razen tanke črte s kromom zaščitene nenavadne kovine, nato pa krom odstranil s kopeljo. klorovodikove kisline.

Na koncu je Chen, ki je spomladi uspešno doktoriral in se je od takrat zaposlil v financah, izdelal peščico skoraj brezhibnih nanožic. Vsak je bil približno 600 nanometrov dolg in 200 nanometrov širok - približno 50-krat ožji od rdeče krvne celice.

Potem ko so jih ohladili na nizke, enomestne Kelvinove temperature, so raziskovalci speljali električni tok skozi nenavadne kovinske nanožice. Prav tako so vodili tok skozi nanožice iz običajnega zlata. Tok v zlati žici je prasketal na znan način, kot to počnejo tokovi iz nabitih kvazidelcev - kot debele dežne kaplje, ki brizgajo po strehi avtomobila. Toda v nenavadni kovini je tok tiho polzel skozi nanožico, učinek podoben skoraj tihemu sikanju meglice. Najbolj preprosta razlaga poskusa je, da naboj v tej čudni kovini ne teče v kosih velikosti elektronov.

"Eksperimentalni podatki zagotavljajo trdne dokaze, da se kvazidelci izgubijo v nenavadni kovini," je dejal Si.

Vendar pa vsi fiziki niso povsem prepričani, da poskus uniči Landaujeve kvazidelce. "To je zelo drzna trditev," je rekel Brad Ramshaw, fizik na univerzi Cornell. "Torej potrebujete drzne podatke."

Ena od omejitev eksperimenta je, da je skupina testirala samo en material. Samo zato, ker je strelni hrup nizek v Chenovi mešanici iterbija, rodija in silicija, to ne zagotavlja, da je nizek tudi v drugih nenavadnih kovinah. In enkratno anomalijo lahko vedno pripišemo nekaterim slabo razumljenim podrobnostim o tem materialu.

Ramshaw je tudi poudaril, da kovine zvenijo z vsemi vrstami čudne vibracije ki bi lahko popačilo udarni hrup v toku. Chen in njegovi kolegi so izključili motnje pogostejših vibracij, vendar je možno, da jim je kakšno eksotično valovanje ušlo.

Kljub temu se Ramshawu zdi poskus prepričljiv. "Ljudje močno motivirajo, da poskušajo narediti druge stvari, da bi videli, ali so tudi skladne z brez elektronov," je dejal.

Če ne elektroni, kaj potem?

Če se slika kvazidelcev še naprej ruši, kaj bi jo lahko nadomestilo? Kako se tok giblje okoli nenavadnih kovin, če ne v elektronu podobnih nabojih? Situacije ni lahko opisati, še manj pa izraziti z natančnimi matematičnimi izrazi. "Kateri besednjak je pravi za uporabo," je rekel Natelson, "če ne boste govorili o kvazidelcih?"

Ob pritisku se fiziki na to vprašanje odzovejo z drhtečem metafor o tem, kaj se pojavi, ko posamezni elektroni izginejo: stopijo se v zapleteno kvantno juho; strdijo se v žele; tvorijo penasto zmešnjavo naboja, ki pljuska naokoli. Filip Phillips Urbana-Champaign primerja elektrone nenavadne kovine z gumo v pnevmatiki. Ko guma pride iz drevesa, se njene molekule zvrstijo v posamezne vrvice. Toda med procesom vulkanizacije se te vrvice spremenijo v robustno mrežo. Iz zbirke posameznikov se pojavi nova snov. "Dobiš nekaj, kar je večje od vsote njegovih delov," je dejal. "Sami elektroni nimajo integritete."

Da bi presegli nejasne opise nastanka, potrebujejo fiziki natančen matematični opis - še neodkrito teorijo Fermijeve tekočine za čudne kovine. Sachdev je v zgodnjih 1990-ih pomagal razviti enega poenostavljenega kandidata, model SYK. Dobil je pravi linearni upor, vendar ni imel nobene zveze z resničnimi materiali, narejenimi iz prave mreže atomov. Prvič, ni imel prostora; vsi elektroni sedijo na eni točki, kjer naključno medsebojno delujejo in se zapletejo z vsemi drugimi elektroni.

V zadnjih nekaj letih je Sachdev, Aaviškar Patel Inštituta Flatiron in njihovi sodelavci delajo na prinaša prostor v model SYK. Razširijo interakcije elektronov po vesolju z upoštevanjem učinkov napak v atomski mreži - mest, kjer so izginili atomi ali so se pojavili dodatni atomi. To prašenje atomskih nepopolnosti povzroča naključne variacije v tem, kako pari elektronov medsebojno delujejo in se zapletajo. Nastala tapiserija zapletenih elektronov ima linearno naraščajoč upor - značilnost nenavadne kovine. Nedavno so uporabili svoj okvir za izračun strelnega hrupa prav tako. Številke se ne ujemajo povsem s Chenovimi opažanji, vendar tvorijo isti kvalitativni vzorec. "Vsi trendi so pravi," je dejal Sachdev.

Drugi raziskovalci poudarjajo, da teoretična situacija ostaja spremenljiva - nekaterim ni jasno, ali bi lahko imeli materiali, ki se med seboj tako razlikujejo, kot so plošče grafenskih in kupratnih superprevodnikov, dovolj podoben niz napak, da bi ustvarili skupne lastnosti nenavadnih kovin v način, ki ga zahtevata teorija Sachdeva in Patela. In alternativnih teorij je veliko. Phillips, na primer, sumi, da čudne kovine zahtevajo pojavna oblika elektromagnetizma ki se ne zanaša na cele elektrone. Si in Bühler-Paschen sta medtem preživela skoraj 20 let razvoj in raziskovanje a Teorija kako se kvazidelci raztopijo, ko sistem sedi na "kvantna kritična točka,« kjer se dve različni kvantnomehanski stanji borita za premoč. V eksperimentu s strelnim šumom so svoje nanožice pripeljali do takšne kritične točke.

Medtem ko se fiziki še ne strinjajo o tem, zakaj se zdi, da se električni naboji raztopijo v nenavadnih kovinah, ali četudi se res raztopijo, so odločeni ugotoviti.

"Če res mislimo, da obstaja cela kategorija kovin, ki jih ne razumemo," je dejal Natelson, "je pomembno, da jih razumemo."

Opomba urednika: Inštitut Flatiron financira Fundacija Simons, ki financira tudi to uredniško neodvisno revijo. Niti inštitut Flatiron niti fundacija Simons nimata vpliva na naše poročanje. Na voljo več informacij tukaj.

Quanta izvaja vrsto anket, da bi bolje služil svojemu občinstvu. Vzemite našo anketa bralcev fizike in vključeni boste v brezplačno zmago Quanta trgovsko blago.