พบกับโลหะประหลาด: ที่ที่ไฟฟ้าอาจไหลได้โดยไม่มีอิเล็กตรอน | นิตยสารควอนต้า

หลังจากหนึ่งปีของการลองผิดลองถูก Liyang Chen ก็สามารถเหลาลวดโลหะให้เป็นเกลียวขนาดเล็กที่มีความกว้างเพียงครึ่งหนึ่งของความกว้าง E.coli แบคทีเรีย — บางพอที่จะให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านได้ Chen หวังว่ากระแสน้ำที่หยดลงมาจะช่วยไขปริศนาที่ยังคงมีอยู่ว่าประจุเคลื่อนที่ผ่านวัสดุประเภทที่น่าสับสนที่เรียกว่าโลหะแปลก ๆ ได้อย่างไร

Chen ซึ่งขณะนั้นเป็นนักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษา และผู้ร่วมงานของเขาที่ Rice University ได้ตรวจวัดกระแสที่ไหลผ่านโลหะเส้นบางๆ ของอะตอม และพบว่ามันไหลลื่นและสม่ำเสมอ ที่จริงแล้ว มันท้าทายแนวคิดมาตรฐานของนักฟิสิกส์เรื่องไฟฟ้าในโลหะ

ตามหลักการแล้ว กระแสไฟฟ้าเป็นผลมาจากการเคลื่อนที่รวมของอิเล็กตรอน โดยแต่ละอิเล็กตรอนจะมีประจุไฟฟ้าก้อนหนึ่งแบ่งแยกไม่ได้ แต่ความคงที่ตายตัวของกระแสของ Chen บอกเป็นนัยว่ามันไม่ได้ถูกสร้างขึ้นจากหน่วยเลย มันเหมือนกับการค้นหาของเหลวที่ขาดโมเลกุลที่สามารถจดจำได้เป็นรายบุคคล

แม้ว่าสิ่งนั้นอาจดูแปลกไป แต่ก็เป็นสิ่งที่นักฟิสิกส์บางคนคาดหวังจากโลหะที่กลุ่มทดสอบ ซึ่งเมื่อรวมกับญาติที่ไม่ธรรมดาของพวกมันได้ล่อลวงและสับสนให้กับนักฟิสิกส์มาตั้งแต่ปี 1980 “มันเป็นชิ้นงานที่สวยงามมาก” กล่าว ซูบีร์ ซัคเดฟเป็นนักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีจากมหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ดที่เชี่ยวชาญเรื่องโลหะประหลาด

การสังเกต รายงานสัปดาห์ที่ผ่านมา ในวารสาร วิทยาศาสตร์เป็นหนึ่งในข้อบ่งชี้ที่ตรงไปตรงมาที่สุดแต่ว่าอะไรก็ตามที่ไหลผ่านโลหะที่ผิดปกติเหล่านี้จะดูไม่เหมือนอิเล็กตรอน การทดลองใหม่นี้ตอกย้ำความสงสัยว่าปรากฏการณ์ควอนตัมใหม่กำลังเกิดขึ้นภายในโลหะประหลาด นอกจากนี้ยังให้รายละเอียดใหม่สำหรับนักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีที่พยายามทำความเข้าใจว่ามันคืออะไร 

“โลหะประหลาด ไม่มีใครรู้ว่ามันมาจากไหน” กล่าว ปีเตอร์ อับบามอนเต, นักฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยอิลลินอยส์ เออร์บานา-แชมเปญจน์ “มันเคยถูกมองว่าเป็นความไม่สะดวก แต่ตอนนี้เรารู้แล้วว่ามันเป็นอีกช่วงหนึ่งของสสารที่อาศัยอยู่ในสิ่งเหล่านี้”

ประแจคัพเรต

ความท้าทายแรกในการทำความเข้าใจโลหะแบบดั้งเดิมเกิดขึ้นในปี 1986 เมื่อ Georg Bednorz และ Karl Alex Müller เขย่าโลกฟิสิกส์ด้วยการค้นพบตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิสูง ซึ่งเป็นวัสดุที่นำกระแสไฟฟ้าได้อย่างสมบูรณ์แบบแม้ในอุณหภูมิที่ค่อนข้างอบอุ่น โลหะที่คุ้นเคย เช่น ดีบุกและปรอท จะกลายเป็นตัวนำยิ่งยวดก็ต่อเมื่อถูกแช่เย็นจนเหลือศูนย์สัมบูรณ์เพียงไม่กี่องศาเท่านั้น เบดนอร์ซและมุลเลอร์วัดความต้านทานไฟฟ้าในวัสดุที่มีทองแดง (“คัพเรต”) และพบว่าความต้านทานไฟฟ้าหายไปที่ 35 เคลวินที่ค่อนข้างเย็นสบาย (สำหรับการค้นพบที่ก้าวหน้าของพวกเขา เบดนอร์ซและมุลเลอร์ได้รับรางวัลโนเบลในอีกหนึ่งปีต่อมา)

ในไม่ช้านักฟิสิกส์ก็ตระหนักได้ว่าตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูงเป็นเพียงจุดเริ่มต้นของพฤติกรรมลึกลับของถ้วยเรตเท่านั้น

คัพเรตนั้นแปลกมากเมื่อพวกเขาหยุดตัวนำยิ่งยวดและเริ่มต้านทาน เมื่อโลหะทุกชนิดอุ่นขึ้น ความต้านทานก็จะเพิ่มขึ้น อุณหภูมิที่อุ่นขึ้นหมายความว่าอะตอมและอิเล็กตรอนจะกระตุกมากขึ้น ทำให้เกิดการชนกันที่กระตุ้นให้เกิดความต้านทานมากขึ้นเมื่ออิเล็กตรอนส่งกระแสผ่านวัสดุ ในโลหะปกติ เช่น นิกเกิล ความต้านทานจะเพิ่มขึ้นเป็นกำลังสองที่อุณหภูมิต่ำ — อย่างช้าๆ ในตอนแรก จากนั้นเร็วขึ้นและเร็วขึ้น แต่ในถ้วยแก้วนั้น มันเพิ่มขึ้นเป็นเส้นตรง แต่ละระดับของความร้อนทำให้ความต้านทานเพิ่มขึ้นเท่ากัน ซึ่งเป็นรูปแบบที่แปลกประหลาดที่ดำเนินต่อไปหลายร้อยองศา และในแง่ของความแปลกประหลาด บดบังความสามารถในการนำยิ่งยวดของวัสดุ คัพเรตเป็นโลหะที่แปลกประหลาดที่สุดเท่าที่นักวิจัยเคยเห็นมา

“ตัวนำยิ่งยวดก็คือเมาส์” กล่าว อันเดรย์ ชูบูคอฟเป็นนักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีแห่งมหาวิทยาลัยมินนิโซตา “ช้าง…นี่มันพฤติกรรมโลหะแปลกๆ”

ความต้านทานที่เพิ่มขึ้นเชิงเส้นคุกคามคำอธิบายที่น่ายกย่องว่าประจุไฟฟ้าเคลื่อนที่ผ่านโลหะได้อย่างไร ทฤษฎี "ของเหลวเฟอร์มี" ของเลฟ ลันเดาเสนอในปี 1956 โดยวางอิเล็กตรอนไว้ที่ศูนย์กลางของทั้งหมด มันสร้างขึ้นจากทฤษฎีก่อนหน้านี้ที่ว่า เพื่อความง่าย สันนิษฐานว่าอิเล็กตรอนนำกระแสไฟฟ้า และอิเล็กตรอนเคลื่อนที่ผ่านโลหะคล้ายแก๊ส พวกมันบินอย่างอิสระระหว่างอะตอมโดยไม่มีปฏิสัมพันธ์กัน

Landau ได้เพิ่มวิธีในการจัดการกับข้อเท็จจริงที่สำคัญแต่ซับซ้อนที่อิเล็กตรอนมีปฏิสัมพันธ์กัน พวกมันมีประจุลบ ซึ่งหมายความว่าพวกมันจะผลักกันอย่างต่อเนื่อง เมื่อพิจารณาปฏิสัมพันธ์ระหว่างอนุภาคนี้เปลี่ยนก๊าซอิเล็กตรอนให้กลายเป็นอะไรบางอย่างในมหาสมุทร ในตอนนี้ เมื่ออิเล็กตรอนตัวหนึ่งเคลื่อนที่ผ่านของเหลวของอิเล็กตรอน มันก็รบกวนอิเล็กตรอนที่อยู่ใกล้เคียง ด้วยชุดปฏิสัมพันธ์ที่ซับซ้อนที่เกี่ยวข้องกับการผลักกัน อิเล็กตรอนที่มีปฏิสัมพันธ์อย่างอ่อนโยนเหล่านี้จึงจบลงด้วยการเดินทางไปในฝูงชน - เป็นกลุ่มก้อนที่เรียกว่าควอซิพาร์ติเคิล

ปาฏิหาริย์ของทฤษฎีของเหลวของแฟร์มีก็คือแต่ละควอซิพาร์ติเคิลมีพฤติกรรมเกือบจะเหมือนกับว่ามันเป็นอิเล็กตรอนพื้นฐานตัวเดียว ความแตกต่างที่สำคัญประการหนึ่งก็คือ หยดเหล่านี้เคลื่อนที่ช้ากว่าหรือว่องไวกว่า (ขึ้นอยู่กับวัสดุ) มากกว่าอิเล็กตรอนเปลือย ซึ่งทำหน้าที่หนักกว่าหรือเบากว่าได้อย่างมีประสิทธิภาพ ตอนนี้ เพียงแค่ปรับเงื่อนไขมวลในสมการ นักฟิสิกส์ก็สามารถถือว่ากระแสเป็นการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนต่อไปได้ มีเพียงเครื่องหมายดอกจันที่ระบุว่าอิเล็กตรอนแต่ละตัวเป็นกลุ่มควอซิพาร์ติเคิลจริงๆ

ชัยชนะครั้งสำคัญของกรอบการทำงานของ Landau ก็คือในโลหะปกติ มันตอกย้ำวิธีที่ซับซ้อนซึ่งความต้านทานจะเพิ่มขึ้นเป็นกำลังสองตามอุณหภูมิ Quasiparticles ที่มีลักษณะคล้ายอิเล็กตรอนกลายเป็นวิธีมาตรฐานในการทำความเข้าใจโลหะ “มันอยู่ในหนังสือเรียนทุกเล่ม” ซัคเดฟกล่าว

แต่ในถ้วยแก้ว ทฤษฎีของรถม้าสี่ล้อล้มเหลวอย่างมาก แนวต้านเพิ่มขึ้นเป็นเส้นไม่มีที่ติแทนที่จะเป็นเส้นโค้งกำลังสองมาตรฐาน นักฟิสิกส์ตีความบรรทัดนี้มานานแล้วว่าเป็นสัญญาณว่าคัพเรตเป็นแหล่งกำเนิดของปรากฏการณ์ทางกายภาพใหม่

“คุณค่อนข้างจะต้องเชื่อว่าธรรมชาติกำลังให้เบาะแสแก่คุณ หรือไม่ก็ธรรมชาตินั้นโหดร้ายอย่างไม่น่าเชื่อ” กล่าว เกรกอรี โบบินเกอร์เป็นนักฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยแห่งรัฐฟลอริดาซึ่งใช้เวลาส่วนใหญ่ในการศึกษาการตอบสนองเชิงเส้นของคัพเรตส์ “การใส่ลายเซ็นที่เรียบง่ายและล่อลวงเช่นนี้ และการที่มันไม่มีความสำคัญทางร่างกายคงเป็นเรื่องที่เกินจะทนได้”

และคัพเรตเป็นเพียงจุดเริ่มต้นเท่านั้น นักวิจัยได้ค้นพบตั้งแต่นั้นเป็นต้นมา แหล่งรวมวัสดุที่แตกต่างกัน ด้วยแรงต้านเชิงเส้นที่น่าดึงดูดเช่นเดียวกัน รวมถึง “เกลือ Bechgaard” อินทรีย์และแผ่นกราฟีนที่ไม่ตรงแนว ในขณะที่ "โลหะประหลาด" เหล่านี้แพร่ขยายออกไป นักวิทยาศาสตร์ก็สงสัยว่าเหตุใดทฤษฎีของเหลวแฟร์มีของ Landau จึงดูเหมือนจะพังทลายลงในวัสดุที่แตกต่างกันทั้งหมดเหล่านี้ บางคนสงสัยว่าเป็นเพราะไม่มีอนุภาคเลย อิเล็กตรอนกำลังจัดระเบียบตัวเองด้วยวิธีแปลกใหม่ที่บดบังความเป็นปัจเจกบุคคล มากพอๆ กับธรรมชาติขององุ่นที่แยกจากกันหายไปในขวดไวน์

“มันเป็นช่วงของสสารที่อิเล็กตรอนไม่มีตัวตนจริงๆ” อับบามอนเตกล่าว “อย่างไรก็ตาม [โลหะประหลาด] ก็คือโลหะ; มันมีกระแสอยู่”

แต่เราไม่ได้เพียงแต่ทำลายอิเล็กตรอนเท่านั้น สำหรับนักวิทยาศาสตร์บางคน กระแสไฟฟ้าที่อาจต่อเนื่องซึ่งไม่ถูกแบ่งออกเป็นอิเล็กตรอนนั้นมีความรุนแรงเกินไป และ การทดลองเกี่ยวกับโลหะแปลกๆ ยังคงสอดคล้องกับการทำนายบางอย่างของทฤษฎีของ Landau ข้อโต้แย้งที่ยังคงมีอยู่นี้กระตุ้นให้ที่ปรึกษาวิทยานิพนธ์ของเฉิน ดักลาส นาเทลสัน ของมหาวิทยาลัยไรซ์ พร้อมด้วยเพื่อนร่วมงานของเขา ฉีเหมี่ยวสีเพื่อพิจารณาว่าพวกเขาจะพิจารณากายวิภาคของประจุที่เคลื่อนที่ผ่านโลหะแปลก ๆ ได้โดยตรงมากขึ้นได้อย่างไร

“ฉันสามารถวัดอะไรได้บ้างที่จะบอกฉันได้ว่าเกิดอะไรขึ้น” นาเทลสันสงสัย

กายวิภาคศาสตร์ของไฟฟ้า

เป้าหมายของทีมคือการผ่ากระแสในโลหะประหลาด มันมาในประจุขนาดอิเล็กตรอนหรือเปล่า? มันมาเป็นชิ้นๆเลยเหรอ? เพื่อหาคำตอบ พวกเขาใช้แรงบันดาลใจจากวิธีการคลาสสิกในการวัดความผันผวนของกระแสน้ำ ซึ่งเรียกว่า “เสียงช็อต” ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ที่สามารถเข้าใจได้หากเราคิดถึงวิธีที่ฝนอาจตกลงมาในช่วงที่เกิดพายุฝน

ลองนึกภาพคุณกำลังนั่งอยู่ในรถ และคุณรู้จากการพยากรณ์อากาศที่เชื่อถือได้ว่าฝนจะตกประมาณ 5 มิลลิเมตรในชั่วโมงถัดไป 5 มิลลิเมตรเหล่านั้นก็เหมือนกับกระแสไฟฟ้าทั้งหมด หากฝนนั้นแบ่งออกเป็นหยดขนาดยักษ์จำนวนหนึ่ง ความแปรผันของเวลาที่หยดเหล่านั้นกระทบหลังคาของคุณจะสูง บางครั้งหยดจะกระเซ็นกลับไปด้านหลัง และในบางครั้งก็จะเว้นระยะห่างกัน ในกรณีนี้ สัญญาณรบกวนการยิงจะดังสูง แต่หากปริมาณฝน 5 มิลลิเมตรเท่ากันกระจายไปสู่หมอกหยดเล็กๆ คงที่ ความแปรผันของเวลาที่มาถึงและเสียงรบกวนจากการยิงก็จะต่ำ หมอกจะส่งน้ำในปริมาณที่เกือบจะเท่ากันได้อย่างราบรื่นในแต่ละช่วงเวลา ด้วยวิธีนี้ เสียงช็อตจึงเผยให้เห็นขนาดของหยด

“แค่การวัดอัตราการแสดงของน้ำไม่ได้บอกภาพรวมทั้งหมดให้คุณทราบ” นาเทลสันกล่าว “การวัดความผันผวน [ในอัตรานั้น] จะบอกคุณได้มากกว่านี้มาก”

ในทำนองเดียวกัน การฟังเสียงแตกของกระแสไฟฟ้าสามารถบอกคุณเกี่ยวกับประจุที่ประกอบกันเป็นก้อนได้ ชิ้นส่วนเหล่านี้โดยปกติจะเป็นอนุภาคคล้ายอิเล็กตรอนของแลนเดา แท้จริงแล้ว การบันทึกเสียงช็อตในโลหะปกติเป็นวิธีทั่วไปในการวัดประจุพื้นฐานของอิเล็กตรอน — 1.6 × 10^-19 คูลอมบ์

เพื่อเข้าถึงใจกลางกระแสของโลหะประหลาด ทีมงานต้องการวัดเสียงช็อต แต่สัญญาณรบกวนจากช็อตอิเล็กทรอนิกส์สามารถถูกบดบังได้หากอิเล็กตรอนถูกผลักไปรอบๆ ด้วยระลอกคลื่นในตาข่ายอะตอมของโลหะ เพื่อหลีกเลี่ยงความไม่ชัดเจนดังกล่าว นักวิจัยจึงส่งกระแสไฟฟ้าผ่านสายไฟที่สั้นมากจนระลอกคลื่นไม่มีเวลาที่จะมีอิทธิพลต่ออิเล็กตรอน สายไฟเหล่านี้จะต้องมีขนาดนาโนสโคป

กลุ่มนี้เลือกที่จะทำงานกับโลหะแปลกๆ ที่ทำจากอิตเทอร์เบียม โรเดียม และซิลิคอน เนื่องจากเป็นผู้ร่วมงานกันมานานของ Natelson และ Si ซิลค์ บูห์เลอร์-ปาเชิน ของมหาวิทยาลัยเทคโนโลยีเวียนนา ได้คิดค้นวิธีการปลูกวัสดุในภาพยนตร์ที่มีความหนาเพียงไม่กี่สิบนาโนเมตร ที่ดูแลมิติเชิงพื้นที่หนึ่ง

จากนั้นจึงตกเป็นหน้าที่ของ Chen ที่จะหาวิธีนำฟิล์มเหล่านั้นมาและแกะสลักลวดที่มีความยาวและความกว้างเพียงนาโนเมตร

ตลอดระยะเวลาประมาณหนึ่งปี Chen ได้ทดสอบวิธีการต่างๆ ในการเหลาโลหะโดยการพ่นทรายด้วยอะตอมอย่างมีประสิทธิภาพ แต่ในการทดลองครั้งแล้วครั้งเล่า เขาพบว่าลวดนาโนที่ได้นั้นได้รับความเสียหายระดับอะตอม ซึ่งทำลายความต้านทานเชิงเส้นที่เป็นลักษณะเฉพาะของโลหะประหลาด หลังจากพยายามหลายสิบครั้ง เขาก็เข้าสู่กระบวนการที่ได้ผล: เขาชุบโลหะด้วยโครเมียม ใช้กระแสก๊าซอาร์กอนเพื่อระเบิดโลหะแปลก ๆ ที่ปกป้องด้วยโครเมียมออกไปทั้งหมด ยกเว้นเส้นบาง ๆ จากนั้นจึงถอดโครเมียมออกด้วยการอาบน้ำ ของกรดไฮโดรคลอริก

ในท้ายที่สุด Chen ซึ่งประสบความสำเร็จในการได้รับปริญญาเอกในช่วงฤดูใบไม้ผลิและได้ไปทำงานด้านการเงินตั้งแต่นั้นเป็นต้นมา ได้สร้างลวดนาโนที่แทบจะไร้ที่ติจำนวนหนึ่งขึ้นมา แต่ละอันมีความยาวประมาณ 600 นาโนเมตร กว้าง 200 นาโนเมตร ซึ่งแคบกว่าเซลล์เม็ดเลือดแดงประมาณ 50 เท่า

หลังจากที่ทำให้พวกมันเย็นลงจนถึงอุณหภูมิเคลวินหลักเดียวที่เยือกเย็นแล้ว นักวิจัยก็ปล่อยกระแสไฟฟ้าผ่านเส้นลวดนาโนโลหะประหลาด พวกมันยังไหลผ่านสายนาโนที่ทำจากทองคำธรรมดาอีกด้วย กระแสน้ำในเส้นลวดทองแตกในลักษณะที่คุ้นเคยเหมือนกับกระแสน้ำที่เกิดจากอนุภาคควาซิพติเคิลที่มีประจุ เหมือนกับเม็ดฝนที่กระเซ็นบนหลังคารถ แต่ในโลหะประหลาดนั้น กระแสน้ำไหลผ่านสายนาโนอย่างเงียบๆ ทำให้เกิดอาการคล้ายกับเสียงฟู่ของหมอกที่เกือบจะเงียบงัน การตีความการทดลองที่ตรงไปตรงมาที่สุดคือประจุในโลหะประหลาดนี้ไม่ไหลเป็นชิ้นขนาดอิเล็กตรอน

“ข้อมูลการทดลองเป็นหลักฐานที่ชัดเจนว่าอนุภาคควอซิพพาเคิลสูญหายไปในโลหะประหลาด” ศรีกล่าว

อย่างไรก็ตาม ไม่ใช่นักฟิสิกส์ทุกคนจะเชื่ออย่างเต็มที่ว่าการทดลองดังกล่าวสามารถฆ่าควาซิพพาร์ติเคิลของรถม้าสี่ล้อได้ “มันเป็นคำกล่าวอ้างที่กล้าหาญมาก” กล่าว แบรด แรมชอว์, นักฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยคอร์เนล “ดังนั้นคุณจำเป็นต้องมีข้อมูลที่เป็นตัวหนา”

ข้อจำกัดประการหนึ่งของการทดลองคือ กลุ่มทดสอบเพียงวัสดุเดียว เพียงเพราะว่าเสียงช็อตของ Chen มีอิตเทอร์เบียม โรเดียม และซิลิกอนผสมต่ำ จึงไม่รับประกันว่าจะมีโลหะประหลาดอื่นๆ ในปริมาณต่ำ และความผิดปกติที่เกิดขึ้นเพียงครั้งเดียวสามารถกำหนดให้กับรายละเอียดบางอย่างที่เข้าใจได้ไม่ดีเกี่ยวกับเนื้อหานั้นได้เสมอ

Ramshaw ยังชี้ให้เห็นว่าแหวนโลหะมีลักษณะทั้งหมด การสั่นสะเทือนที่แปลกประหลาด ที่อาจบิดเบือนเสียงช็อตในปัจจุบัน เฉินและเพื่อนร่วมงานของเขาตัดการรบกวนจากการสั่นสะเทือนที่พบบ่อยกว่า แต่เป็นไปได้ที่ระลอกคลื่นแปลก ๆ บางส่วนจะหลบเลี่ยงการแจ้งเตือนของพวกเขา

อย่างไรก็ตาม Ramshaw พบว่าการทดลองนี้น่าสนใจ “มันเป็นแรงจูงใจอย่างยิ่งที่ผู้คนจะพยายามทำสิ่งอื่นๆ เพื่อดูว่าพวกมันมีความสอดคล้องกันโดยไม่มีอิเล็กตรอนหรือไม่” เขากล่าว

ถ้าไม่ใช่อิเล็กตรอนแล้วจะเป็นอย่างไร?

หากภาพกึ่งอนุภาคยังคงสลายไป อะไรจะมาแทนที่มันได้? กระแสจะเคลื่อนที่ไปรอบ ๆ โลหะแปลก ๆ ได้อย่างไรหากไม่ได้อยู่ในประจุคล้ายอิเล็กตรอน? ไม่ใช่เรื่องง่ายที่จะอธิบาย ไม่ค่อยมีการใช้คำศัพท์ทางคณิตศาสตร์ที่แม่นยำมากนัก “คำศัพท์ที่ถูกต้องที่จะใช้คืออะไร” Natelson กล่าว “ถ้าคุณไม่จะพูดถึงควอซิพาร์ติคัล”

เมื่อกด นักฟิสิกส์จะตอบคำถามนี้ด้วยคำอุปมาอุปไมยที่สั่นคลอนสำหรับสิ่งที่ปรากฏขึ้นเมื่ออิเล็กตรอนแต่ละตัวหายไป: พวกมันหลอมรวมกันเป็นซุปควอนตัมที่พันกัน พวกมันรวมตัวกันเป็นเยลลี่ พวกมันก่อให้เกิดฟองฟุ้งกระจายไปทั่ว ฟิลิป ฟิลลิปส์ ของ Urbana-Champaign เปรียบเสมือนอิเล็กตรอนของโลหะประหลาดกับยางในยาง เมื่อยางออกมาจากต้นไม้ โมเลกุลของยางจะเรียงกันเป็นเส้นเดี่ยวๆ แต่ในระหว่างกระบวนการวัลคาไนซ์ เชือกเหล่านี้จะเปลี่ยนเป็นตาข่ายที่ทนทาน สารใหม่เกิดขึ้นจากการรวบรวมบุคคล “คุณได้บางสิ่งที่ยิ่งใหญ่กว่าผลรวมของส่วนต่างๆ ของมัน” เขากล่าว “อิเล็กตรอนเองก็ไม่มีความสมบูรณ์”

เพื่อที่จะก้าวไปไกลกว่าคำอธิบายที่คลุมเครือเกี่ยวกับการเกิดขึ้น นักฟิสิกส์จำเป็นต้องมีคำอธิบายทางคณิตศาสตร์ที่แม่นยำ ซึ่งเป็นทฤษฎีของไหลแฟร์มีสำหรับโลหะประหลาดที่ยังไม่ถูกค้นพบ Sachdev ช่วยพัฒนาผู้สมัครแบบง่ายหนึ่งราย นั่นคือโมเดล SYK ในช่วงต้นทศวรรษ 1990 มันมีความต้านทานเชิงเส้นถูกต้อง แต่มันไม่เกี่ยวอะไรกับวัสดุจริงที่ทำจากตารางอะตอมจริงๆ เลย ประการหนึ่ง มันไม่มีที่ว่าง อิเล็กตรอนทั้งหมดนั่งอยู่ที่จุดเดียวซึ่งพวกมันสุ่มโต้ตอบและเข้าไปพัวพันกับอิเล็กตรอนอื่นๆ ทั้งหมด

ในช่วงสองสามปีที่ผ่านมา ซัคเดฟ อาวิชการ์ ปาเตล ของสถาบัน Flatiron Institute และผู้ร่วมงานของพวกเขากำลังทำงานอยู่ นำพื้นที่มาสู่โมเดล SYK. พวกมันแพร่กระจายปฏิสัมพันธ์ของอิเล็กตรอนไปทั่วอวกาศโดยพิจารณาถึงผลกระทบของข้อบกพร่องในตาข่ายอะตอม - จุดที่อะตอมหายไปหรือมีอะตอมพิเศษปรากฏขึ้น การปัดฝุ่นของความไม่สมบูรณ์ของอะตอมทำให้เกิดการแปรผันแบบสุ่มว่าคู่อิเล็กตรอนมีปฏิกิริยาโต้ตอบและพันกันอย่างไร ผลที่ตามมาของผืนผ้าของอิเล็กตรอนที่พันกันนั้นมีความต้านทานเพิ่มขึ้นเป็นเส้นตรง ซึ่งเป็นจุดเด่นของโลหะประหลาด พวกเขาเพิ่งใช้กรอบงานของพวกเขา เพื่อคำนวณเสียงช็อต เช่นกัน. ตัวเลขเหล่านี้ไม่ตรงกับข้อสังเกตของเฉินนัก แต่กลับมีรูปแบบเชิงคุณภาพที่เหมือนกัน “แนวโน้มทั้งหมดถูกต้อง” Sachdev กล่าว

นักวิจัยคนอื่นๆ เน้นย้ำว่าสถานการณ์ทางทฤษฎียังคงเป็นของเหลว ยังไม่ชัดเจนสำหรับบางคนว่าวัสดุที่แตกต่างจากกันอย่างแผ่นตัวนำยิ่งยวดแบบกราฟีนและถ้วยเรตอาจมีข้อบกพร่องที่คล้ายคลึงกันเพียงพอที่จะสร้างคุณสมบัติโลหะแปลก ๆ ร่วมกันใน ตามที่ทฤษฎีของซัคเดฟและพาเทลต้องการ และทฤษฎีทางเลือกก็มีมากมาย ตัวอย่างเช่น ฟิลลิปส์สงสัยว่ามีโลหะแปลกๆ เรียกหา รูปแบบของแม่เหล็กไฟฟ้าที่เกิดขึ้นใหม่ ที่ไม่อาศัยอิเล็กตรอนทั้งหมด ในขณะเดียวกัน Si และ Bühler-Paschen ก็ใช้เวลาเกือบ 20 ปีแล้ว การพัฒนาและการสำรวจ a ทฤษฎี สำหรับการละลายของควอซิไอพีเคิลเมื่อระบบตั้งอยู่ที่ “จุดวิกฤติควอนตัม” ซึ่งสถานะทางกลควอนตัมที่แตกต่างกันสองสถานะต่างต่อสู้ดิ้นรนเพื่อให้ได้เปรียบ ในการทดลองเรื่องเสียงช็อต พวกเขานำเส้นลวดนาโนของพวกเขาไปยังจุดวิกฤตเช่นนี้

แม้ว่านักฟิสิกส์จะยังไม่เห็นพ้องต้องกันว่าเหตุใดประจุไฟฟ้าจึงดูเหมือนจะละลายภายในโลหะแปลกๆ หรือแม้ว่าพวกมันจะละลายจริงๆ ก็ตาม พวกเขาก็มุ่งมั่นที่จะค้นหาให้ได้

“ถ้าเราคิดว่ามีโลหะอยู่หลายประเภทที่เราไม่เข้าใจ” Natelson กล่าว “สิ่งสำคัญคือต้องเข้าใจสิ่งเหล่านั้น”

หมายเหตุบรรณาธิการ: สถาบัน Flatiron ได้รับทุนจากมูลนิธิ Simons ซึ่งให้ทุนสนับสนุนนิตยสารอิสระด้านบรรณาธิการนี้ด้วย ทั้งสถาบัน Flatiron Institute และมูลนิธิ Simons ไม่มีอิทธิพลต่อการรายงานข่าวของเรา ข้อมูลเพิ่มเติมที่มีอยู่ โปรดคลิกที่นี่เพื่ออ่านรายละเอียดเพิ่มเติม.

ควอนตั้ม กำลังดำเนินการสำรวจชุดต่างๆ เพื่อให้บริการผู้ชมของเราได้ดียิ่งขึ้น เอาของเรา แบบสำรวจผู้อ่านฟิสิกส์ และคุณจะถูกป้อนเพื่อรับรางวัลฟรี ควอนตั้ม สินค้า.