Möt konstiga metaller: där elektricitet kan flöda utan elektroner | Quanta Magazine

Efter ett år av försök och misstag hade Liyang Chen lyckats skära ner en metalltråd till en mikroskopisk tråd som var halva bredden av en E. coli bakterie - precis tillräckligt tunn för att låta en rännel av elektrisk ström passera igenom. Dropparna från den strömmen kan, hoppades Chen, hjälpa till att lösa ett ihållande mysterium om hur laddning rör sig genom en förvirrande klass av material som kallas konstiga metaller.

Chen, då doktorand, och hans medarbetare vid Rice University mätte strömmen som flödade genom deras atomtunna metallsträng. Och de upptäckte att det flöt smidigt och jämnt. Så jämnt faktiskt att det trotsade fysikers standarduppfattning om elektricitet i metaller.

Kanoniskt är elektrisk ström ett resultat av den kollektiva rörelsen av elektroner, som var och en bär en odelbar del av elektrisk laddning. Men den döda stabiliteten i Chens ström antydde att den inte alls var gjord av enheter. Det var som att hitta en vätska som på något sätt saknade individuellt igenkännbara molekyler.

Även om det kan låta konstigt, är det precis vad vissa fysiker förväntade sig av metallen som gruppen testade, som tillsammans med sin ovanliga släkting har förfört och förvirrat fysiker sedan 1980-talet. "Det är ett mycket vackert verk," sa Subir Sachdev, en teoretisk fysiker vid Harvard University som är specialiserad på konstiga metaller.

Observationen, rapporterade förra veckan i tidskriften Vetenskap, är en av de mest enkla indikationerna hittills på att vad som än leder ström genom dessa ovanliga metaller inte ser ut som elektroner. Det nya experimentet stärker misstankarna om att ett nytt kvantfenomen uppstår inom konstiga metaller. Det ger också ny grist för teoretiska fysiker som försöker förstå vad det kan vara. 

"Konstiga metaller, ingen har någon jordisk aning om var de kommer ifrån," sa Peter Abbamonte, en fysiker vid University of Illinois, Urbana-Champaign. "Det brukade betraktas som ett besvär, men nu inser vi att det verkligen är en annan fas av materia som lever i dessa saker."

En Cuprate skiftnyckel

Den första utmaningen för den konventionella förståelsen av metaller kom 1986, när Georg Bednorz och Karl Alex Müller skakade fysikvärlden med sin upptäckt av högtemperatursupraledare - material som perfekt bär en elektrisk ström även vid relativt varma temperaturer. Bekanta metaller som tenn och kvicksilver blir supraledare endast när de kyls till inom några få grader av absolut noll. Bednorz och Müller mätte det elektriska motståndet i ett kopparbaserat ("kuprat") material och såg att det försvann vid relativt ljumma 35 kelvin. (För sin genombrottsupptäckt fick Bednorz och Müller ett Nobelpris bara ett år senare.)

Fysiker insåg snart att supraledning vid hög temperatur bara var början på kupraternas mystiska beteende.

Cupraterna blev riktigt konstiga när de slutade supraledande och började göra motstånd. När alla metaller värms upp ökar motståndet. Varmare temperaturer innebär att atomer och elektroner vibrerar mer, vilket skapar fler motståndsinducerande kollisioner när elektroner skjuter ström genom ett material. I normala metaller, som nickel, ökar motståndet kvadratiskt vid låga temperaturer — långsamt först och sedan snabbare och snabbare. Men i cuprates steg det linjärt: Varje grad av uppvärmning medförde samma ökning av motståndet - ett bisarrt mönster som fortsatte över hundratals grader och, i form av konstigheter, överskuggade materialets supraledande förmåga. Kopraterna var de konstigaste metaller som forskare någonsin sett.

"Supraledning är en mus," sa Andrey Chubukov, en teoretisk fysiker vid University of Minnesota. "Elefanten ... är detta konstiga metallbeteende."

Den linjära ökningen av motståndet hotade en hyllad förklaring av hur elektrisk laddning rör sig genom metaller. Lev Landaus "Fermi liquid"-teori, som föreslogs 1956, placerade elektroner i centrum för det hela. Den byggde på tidigare teorier som för enkelhets skull antog att elektroner bär elektrisk ström och att elektronerna rör sig genom en metall som en gas; de svävar fritt mellan atomer utan att interagera med varandra.

Landau lade till ett sätt att hantera det avgörande men komplicerade faktum att elektroner interagerar. De är negativt laddade, vilket innebär att de ständigt stöter bort varandra. Med tanke på denna växelverkan mellan partiklarna förvandlade elektrongasen till något av ett hav - nu, när en elektron rörde sig genom vätskan av elektroner, störde den de närliggande elektronerna. Genom en komplicerad serie interaktioner som involverar ömsesidig avstötning, hamnade dessa nu försiktigt interagerande elektroner i folkmassor - i klumpar som kallas kvasipartiklar.

Miraklet med Fermi-vätsketeorin var att varje kvasipartikel betedde sig nästan exakt som om det vore en enda, fundamental elektron. En stor skillnad var dock att dessa klumpar rörde sig långsammare eller smidigare (beroende på materialet) än en bar elektron, och verkade effektivt tyngre eller lättare. Nu, bara genom att justera masstermerna i sina ekvationer, kunde fysiker fortsätta att behandla ström som elektronernas rörelse, bara med en asterisk som anger att varje elektron verkligen var en kvasipartikelklump.

En stor triumf för Landaus ramverk var att det i normala metaller spikade det komplicerade sättet på vilket motståndet stiger kvadratiskt med temperaturen. Elektronliknande kvasipartiklar blev standardsättet att förstå metaller. "Det finns i varje lärobok," sa Sachdev.

Men i cuprates misslyckades Landaus teori dramatiskt. Motståndet steg i en obefläckad linje snarare än standardkvadratkurvan. Fysiker har länge tolkat denna linje som ett tecken på att cuprates är hem för ett nytt fysiskt fenomen.

"Du måste nästan tro att naturen antingen ger dig en ledtråd eller så är naturen otroligt grym," sa Gregory Boebinger, en fysiker vid Florida State University som har tillbringat mycket av sin karriär med att studera cuprates linjära respons. "Att sätta upp en så fruktansvärt enkel och lockande signatur och att den inte är fysiskt viktig skulle bara vara för mycket att bära."

Och cuprates var bara början. Forskare har sedan dess upptäckt en mängd olika material med samma lockande linjära motstånd, inklusive organiska "Bechgaard-salter" och felinställda ark av grafen. När dessa "märkliga metaller" spred sig, undrade forskare varför Landaus Fermi-vätsketeori verkade bryta ner i alla dessa olika material. Vissa kom att misstänka att det berodde på att det inte fanns några kvasipartiklar alls; elektronerna organiserade sig på något sätt på ett konstigt nytt sätt som skymmer varje individualitet, ungefär som druvornas diskreta natur försvinner i en flaska vin.

"Det är en fas av materia där en elektron verkligen inte har någon identitet," sa Abbamonte. "Ändå är [en konstig metall] en metall; det bär på något sätt ström."

Men man avskaffar inte bara elektroner. För vissa forskare är en potentiellt kontinuerlig elektrisk ström - en som inte är uppdelad i elektroner - för radikal. Och några konstiga metallexperiment fortsätta att matcha vissa förutsägelser av Landaus teori. Den ihållande kontroversen fick Chens avhandlingsrådgivare, Douglas Natelson från Rice University, tillsammans med sin kollega Qimiao Si, för att överväga hur de mer direkt kan granska anatomin hos laddningen som rör sig genom en konstig metall.

"Vad skulle jag kunna mäta som faktiskt skulle berätta för mig vad som händer?" undrade Natelson.

Elektricitetens anatomi

Teamets mål var att dissekera strömmen i en konstig metall. Kom den i laddningsbitar i elektronstorlek? Kom det överhuvudtaget i bitar? För att ta reda på det tog de inspiration från ett klassiskt sätt att mäta fluktuationer i ett flöde - "skottbruset" - ett fenomen som kan förstås om vi tänker på hur regn kan falla under en regnstorm.

Föreställ dig att du sitter i din bil och du vet från en pålitlig väderprognos att 5 millimeter regn kommer att falla under den närmaste timmen. Dessa 5 millimeter är som den totala elektriska strömmen. Om det regnet fördelas i en handfull gigantiska droppar, kommer variationen i när dessa droppar träffar ditt tak att vara stor; ibland kommer droppar att stänka rygg mot rygg, och vid andra tillfällen kommer de att spridas. I det här fallet är skottljudet högt. Men om samma 5 millimeter regn sprids i en konstant dimma av små droppar, kommer variationen i ankomsttid - och därmed skottljudet - att vara lågt. Dimman kommer smidigt att leverera nästan samma mängd vatten från ögonblick till ögonblick. På så sätt avslöjar skottljud storleken på dropparna.

"Bara att mäta hastigheten med vilken vattnet dyker upp säger dig inte hela bilden," sa Natelson. "Att mäta fluktuationerna [i den takten] säger dig mycket mer."

På samma sätt kan du lyssna på sprakande i elektrisk ström berätta om laddningsbitarna som utgör den. Dessa bitar är normalt Landaus elektronliknande kvasipartiklar. Att spela in skottbruset i en normal metall är faktiskt ett vanligt sätt att mäta elektronens fundamentala laddning - 1.6 × 10^-19 coulombs.

För att komma till hjärtat av en konstig metallström ville teamet mäta skottljud. Men elektroniskt skottljud kan döljas om elektroner skjuts runt av krusningar i en metalls atomnät. För att undvika den luddigheten skickar forskare ström genom ledningar så korta att krusningarna inte hinner påverka elektronerna. Dessa ledningar måste vara nanoskopiska i skala.

Gruppen valde att arbeta med en speciell märklig metall gjord av ytterbium, rodium och kisel eftersom Natelson och Sis långvariga samarbetspartner, Silke Bühler-Paschen vid Wiens tekniska universitet, hade utarbetat hur man odlar materialet i filmer som bara är tiotals nanometer tjocka. Det tog hand om en rumslig dimension.

Det föll sedan på Chen att ta reda på hur man skulle ta dessa filmer och skära ut en tråd som bara mäter nanometer i längd och bredd.

Under ungefär ett år testade Chen olika sätt att skära ner metallen genom att effektivt sandblästra den med atomer. Men i rättegång efter rättegång fann han att de resulterande nanotrådarna fick atomskada som förstörde den märkliga metallens karakteristiska linjära motstånd. Efter dussintals försök landade han på en process som fungerade: Han pläterade metallen med krom, använde en ström av argongas för att spränga bort allt utom en tunn linje av den kromskyddade främmande metallen, och tog sedan bort krom med ett bad av saltsyra.

Till slut skapade Chen, som framgångsrikt tog sin doktorsexamen i våras och sedan dess har arbetat inom finans, en handfull nästan felfria nanotrådar. Var och en var ungefär 600 nanometer lång och 200 nanometer bred - ungefär 50 gånger smalare än en röd blodkropp.

Efter att ha kylt dem till kyliga, ensiffriga Kelvin-temperaturer, körde forskarna elektrisk ström genom de konstiga metallnanotrådarna. De körde också ström genom nanotrådar gjorda av normalt guld. Strömmen i guldtråden sprakade på det bekanta sättet som strömmar gjorda av laddade kvasipartiklar gör — som feta regndroppar som stänkte på biltaket. Men i den märkliga metallen gled ström tyst genom nanotråden, en effekt som liknar det nästan tysta väsandet av dimma. Den enklaste tolkningen av experimentet är att laddningen i denna konstiga metall inte flyter i elektronstora bitar.

"De experimentella data ger starka bevis för att kvasipartiklar går förlorade i den konstiga metallen," sa Si.

Alla fysiker är dock inte helt övertygade om att experimentet dödar Landaus kvasipartiklar. "Det är ett mycket djärvt påstående," sa Brad Ramshaw, fysiker vid Cornell University. "Så du behöver djärva data."

En begränsning av experimentet är att gruppen endast testade ett material. Bara för att skottljudet är lågt i Chens ytterbium-, rodium- och kiselblandning, garanterar det inte att det är lågt i andra konstiga metaller. Och en enstaka anomali kan alltid tillskrivas någon dåligt förstådd detalj om det materialet.

Ramshaw påpekade också att metaller ringer med alla möjliga konstiga vibrationer som kan förvränga skottljud i strömmen. Chen och hans kollegor uteslöt störningar från de vanligare vibrationerna, men det är möjligt att någon exotisk krusning undvek deras uppmärksamhet.

Ändå finner Ramshaw experimentet övertygande. "Det är starkt motiverande för människor att försöka göra andra saker för att se om de också överensstämmer med inga elektroner," sa han.

Om inte elektroner, vad då?

Om kvasipartikelbilden fortsätter att falla sönder, vad skulle kunna ersätta den? Hur rör sig ström runt konstiga metaller om inte i elektronliknande laddningspaket? Det är inte en lätt situation att beskriva, än mindre uttryckt i exakta matematiska termer. "Vilket är det rätta ordförrådet att använda," sa Natelson, "om du inte ska prata om kvasipartiklar?"

När den trycks ned, svarar fysiker på denna fråga med ett darr av metaforer för vad som visas när enskilda elektroner försvinner: De smälter samman till en intrasslad kvantsoppa; de stelnar till en gelé; de bildar en skummande röra av laddning som skvalpar runt. Philip Philips av Urbana-Champaign liknar en konstig metalls elektroner med gummit i ett däck. När gummi kommer ut ur ett träd, radas dess molekyler upp i enskilda strängar. Men under vulkaniseringsprocessen förvandlas dessa strängar till ett robust nät. Ett nytt ämne växer fram ur samlingen av individer. "Du får något som är större än summan av dess delar," sa han. "Elektronerna i sig har ingen integritet."

För att gå bortom vaga beskrivningar av uppkomsten behöver fysiker en exakt matematisk beskrivning - en ännu oupptäckt Fermi-vätsketeori för konstiga metaller. Sachdev hjälpte till att utveckla en förenklad kandidat, SYK-modellen, i början av 1990-talet. Den fick det linjära motståndet rätt, men det hade ingenting alls att göra med riktiga material gjorda av ett riktigt rutnät av atomer. Dels hade den inget utrymme; alla elektroner sitter på en enda punkt där de slumpmässigt interagerar och blir intrasslade med alla andra elektroner.

Under de senaste åren har Sachdev, Aavishkar Patel av Flatiron Institute, och deras medarbetare har arbetat med ger utrymme i SYK-modellen. De sprider elektroninteraktioner över rymden genom att överväga effekterna av brister i atomgittret - fläckar där atomer har försvunnit eller extra atomer har dykt upp. Denna damning av atomära ofullkomligheter orsakar slumpmässiga variationer i hur elektronpar interagerar och trasslar in sig. Den resulterande gobelängen av intrasslade elektroner har ett linjärt stigande motstånd - kännetecknet för en konstig metall. De använde nyligen sitt ramverk för att beräkna skottljud också. Siffrorna stämmer inte riktigt överens med Chens observationer, men de bildar samma kvalitativa mönster. "Alla trender är rätt," sa Sachdev.

Andra forskare betonar att den teoretiska situationen förblir flytande - det är inte klart för vissa om material som är så olika från varandra som ark av grafen och cuprate supraledare alla skulle kunna dela en tillräckligt lika tabell av brister för att producera de delade konstiga metallegenskaperna i sätt som krävs av Sachdev och Patels teori. Och alternativa teorier finns i överflöd. Phillips, till exempel, misstänker att konstiga metaller kräver en framväxande form av elektromagnetism som inte är beroende av hela elektroner. Si och Bühler-Paschen har under tiden tillbringat nästan 20 år utveckla och utforska a Teorin för hur kvasipartiklar löses upp när ett system sitter vid en "kvantkritisk punkt”, där två olika kvantmekaniska tillstånd kämpar om övertaget. I shot-noise-experimentet förde de sina nanotrådar till en så kritisk punkt.

Även om fysiker ännu inte är överens om varför elektriska laddningar verkar lösas upp i konstiga metaller, eller även om de verkligen löses upp, är de fast beslutna att ta reda på det.

"Om vi ​​verkligen tror att det finns en hel kategori av metaller där ute som vi inte förstår," sa Natelson, "är det viktigt att förstå dem."

Redaktörens anmärkning: Flatiron Institute finansieras av Simons Foundation, som också finansierar denna redaktionellt oberoende tidning. Varken Flatiron Institute eller Simons Foundation har något inflytande över vår bevakning. Mer information tillgänglig här..

Quanta genomför en serie undersökningar för att bättre betjäna vår publik. Ta vår fysikläsarundersökning och du kommer att delta för att vinna gratis Quanta handelsvaror.