Gặp kim loại lạ: Nơi dòng điện có thể chạy mà không cần điện tử | Tạp chí Quanta

Sau một năm thử và sai, Liyang Chen đã thành công trong việc cắt một sợi dây kim loại thành một sợi cực nhỏ có chiều rộng bằng một nửa chiều rộng của một sợi dây kim loại. E.coli vi khuẩn - chỉ đủ mỏng để cho một dòng điện nhỏ đi qua. Chen hy vọng rằng sức mạnh nhỏ giọt của dòng điện đó sẽ giúp giải quyết một bí ẩn dai dẳng về cách điện tích di chuyển qua một loại vật liệu gây hoang mang được gọi là kim loại lạ.

Chen, khi đó là một nghiên cứu sinh, và các cộng sự của ông tại Đại học Rice đã đo dòng điện chạy qua sợi kim loại mỏng nguyên tử của họ. Và họ thấy rằng nó trôi chảy và đều đặn. Trên thực tế, nó đồng đều đến mức thách thức quan niệm tiêu chuẩn của các nhà vật lý về điện trong kim loại.

Về mặt kinh điển, dòng điện là kết quả của sự chuyển động tập thể của các electron, mỗi electron mang một đoạn điện tích không thể phân chia được. Nhưng sự ổn định chết người của dòng điện của Chen ngụ ý rằng nó hoàn toàn không được tạo thành từ các đơn vị. Nó giống như việc tìm thấy một chất lỏng mà bằng cách nào đó thiếu các phân tử riêng lẻ có thể nhận biết được.

Mặc dù điều đó nghe có vẻ kỳ quặc, nhưng đó chính xác là điều mà một số nhà vật lý mong đợi từ kim loại mà nhóm đã thử nghiệm, kim loại cùng với họ hàng khác thường của nó đã khiến các nhà vật lý bối rối và bối rối kể từ những năm 1980. “Đó là một tác phẩm rất đẹp,” nói Subir Sachdev, một nhà vật lý lý thuyết tại Đại học Harvard chuyên về kim loại lạ.

Việc quan sát, báo cáo tuần trước trên tạp chí Khoa học, là một trong những dấu hiệu rõ ràng nhất cho đến nay cho thấy bất cứ thứ gì mang dòng điện qua những kim loại khác thường này đều trông không giống các electron. Thí nghiệm mới củng cố những nghi ngờ rằng một hiện tượng lượng tử mới đang phát sinh bên trong các kim loại lạ. Nó cũng cung cấp nguồn kiến ​​thức mới cho các nhà vật lý lý thuyết đang cố gắng tìm hiểu xem nó có thể là gì. 

“Những kim loại kỳ lạ, không ai biết chúng đến từ đâu,” nói Peter Abbamonte, một nhà vật lý tại Đại học Illinois, Urbana-Champaign. “Nó từng được coi là một sự bất tiện, nhưng bây giờ chúng tôi nhận ra rằng đó thực sự là một giai đoạn khác của vật chất tồn tại trong những thứ này.”

Cờ lê Cuprate

Thử thách đầu tiên đối với sự hiểu biết thông thường về kim loại xuất hiện vào năm 1986, khi Georg Bednorz và Karl Alex Müller làm rung chuyển thế giới vật lý với khám phá ra chất siêu dẫn nhiệt độ cao - những vật liệu mang dòng điện hoàn hảo ngay cả ở nhiệt độ tương đối ấm. Các kim loại quen thuộc như thiếc và thủy ngân chỉ trở thành chất siêu dẫn khi được làm lạnh ở nhiệt độ không tuyệt đối vài độ. Bednorz và Müller đã đo điện trở trong một vật liệu gốc đồng (“cuprate”) và thấy rằng nó biến mất ở nhiệt độ tương đối cân bằng là 35 kelvin. (Với phát hiện mang tính đột phá của mình, Bednorz và Müller đã giành được giải Nobel chỉ một năm sau đó.)

Các nhà vật lý sớm nhận ra rằng tính siêu dẫn nhiệt độ cao chỉ là bước khởi đầu cho hành trạng bí ẩn của cuprate.

Các cuprate trở nên thực sự kỳ lạ khi chúng ngừng siêu dẫn và bắt đầu phản kháng. Khi tất cả các kim loại ấm lên, điện trở tăng. Nhiệt độ ấm hơn có nghĩa là các nguyên tử và electron lắc lư nhiều hơn, tạo ra nhiều va chạm cảm ứng điện trở hơn khi các electron đưa dòng điện qua vật liệu. Trong các kim loại bình thường, chẳng hạn như niken, điện trở tăng bậc hai ở nhiệt độ thấp - lúc đầu chậm và sau đó ngày càng nhanh hơn. Nhưng ở cuprate, nó tăng tuyến tính: Mỗi mức độ nóng lên đều mang lại mức tăng điện trở như nhau – một mô hình kỳ quái kéo dài hàng trăm độ và, xét về mặt kỳ lạ, đã làm lu mờ khả năng siêu dẫn của vật liệu. Cuprate là kim loại kỳ lạ nhất mà các nhà nghiên cứu từng thấy.

“Tính siêu dẫn là một con chuột,” nói Andrey Chubukov, một nhà vật lý lý thuyết tại Đại học Minnesota. “Con voi… là hành vi kỳ lạ của kim loại.”

Sự gia tăng tuyến tính của điện trở đe dọa lời giải thích nổi tiếng về cách điện tích di chuyển trong kim loại. Được đề xuất vào năm 1956, lý thuyết “chất lỏng Fermi” của Lev Landau đặt các electron vào trung tâm của tất cả. Nó được xây dựng dựa trên các lý thuyết trước đó, để đơn giản, giả định rằng các electron mang dòng điện và các electron chuyển động trong kim loại giống như chất khí; chúng di chuyển tự do giữa các nguyên tử mà không tương tác với nhau.

Landau đã bổ sung thêm một cách xử lý thực tế quan trọng nhưng phức tạp là các electron tương tác. Chúng tích điện âm, nghĩa là chúng liên tục đẩy nhau. Xem xét sự tương tác này giữa các hạt đã biến khí điện tử thành một thứ gì đó của đại dương - giờ đây, khi một điện tử di chuyển qua chất lỏng của các điện tử, nó sẽ làm xáo trộn các điện tử ở gần đó. Thông qua một loạt các tương tác phức tạp liên quan đến lực đẩy lẫn nhau, những electron hiện đang tương tác nhẹ nhàng này cuối cùng đã di chuyển thành từng đám – thành các cụm được gọi là giả hạt.

Điều kỳ diệu của lý thuyết chất lỏng Fermi là mỗi giả hạt hành xử gần như chính xác như thể nó là một electron cơ bản duy nhất. Tuy nhiên, có một điểm khác biệt lớn là những đốm màu này chuyển động chậm hơn hoặc nhanh hơn (tùy thuộc vào vật liệu) so với electron trần, hoạt động nặng hơn hoặc nhẹ hơn một cách hiệu quả. Giờ đây, chỉ bằng cách điều chỉnh các số hạng khối lượng trong các phương trình của họ, các nhà vật lý có thể tiếp tục coi dòng điện là chuyển động của các electron, chỉ với một dấu hoa thị xác định rằng mỗi electron thực sự là một cụm quasiparticle.

Một thắng lợi lớn của cơ cấu Landau là ở chỗ ở kim loại thông thường, nó đã giải quyết được cách thức phức tạp trong đó điện trở tăng bậc hai theo nhiệt độ. Các giả hạt giống electron đã trở thành cách hiểu tiêu chuẩn về kim loại. “Nó có trong mọi cuốn sách giáo khoa,” Sachdev nói.

Nhưng ở cuprates, lý thuyết của Landau đã thất bại thảm hại. Mức kháng cự tăng theo một đường thẳng thay vì đường cong bậc hai tiêu chuẩn. Các nhà vật lý từ lâu đã giải thích đường này là dấu hiệu cho thấy cuprate là nơi xuất hiện một hiện tượng vật lý mới.

“Bạn gần như phải tin rằng thiên nhiên đang cho bạn manh mối hoặc thiên nhiên vô cùng tàn khốc,” nói. Gregory Boebinger, một nhà vật lý tại Đại học Bang Florida, người đã dành phần lớn sự nghiệp của mình để nghiên cứu phản ứng tuyến tính của cuprate. “Việc đưa ra một chữ ký hết sức đơn giản và hấp dẫn như vậy và để nó không quan trọng về mặt vật chất thì sẽ là quá sức chịu đựng.”

Và cuprate chỉ là sự khởi đầu. Từ đó các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra một loạt các vật liệu khác nhau có cùng điện trở tuyến tính hấp dẫn, bao gồm “muối Bechgaard” hữu cơ và các tấm graphene lệch trục. Khi những “kim loại lạ” này sinh sôi nảy nở, các nhà khoa học tự hỏi tại sao lý thuyết chất lỏng Fermi của Landau dường như bị phá vỡ ở tất cả các vật liệu khác nhau này. Một số người nghi ngờ rằng đó là vì không có giả hạt nào cả; các electron bằng cách nào đó đã tự tổ chức theo một cách mới lạ lùng và che khuất mọi cá tính, giống như bản chất rời rạc của quả nho bị lạc trong một chai rượu vang.

“Đó là một pha của vật chất trong đó một electron thực sự không có danh tính,” Abbamonte nói. “Tuy nhiên, [một kim loại lạ] vẫn là kim loại; bằng cách nào đó nó mang theo dòng điện.”

Nhưng người ta không chỉ đơn giản loại bỏ các electron. Đối với một số nhà khoa học, một dòng điện có khả năng liên tục – dòng điện không được phân chia thành các electron – là quá cấp tiến. Và một số thí nghiệm kim loại lạ tiếp tục phù hợp với những dự đoán nhất định của lý thuyết Landau. Cuộc tranh cãi dai dẳng đã khiến cố vấn luận văn của Chen phải Douglas Natelson của Đại học Rice, cùng với đồng nghiệp của ông Thất Miêu Tứ, để xem xét cách họ có thể xem xét kỹ lưỡng hơn một cách trực tiếp hơn cấu trúc giải phẫu của điện tích chuyển động qua một kim loại lạ.

“Tôi có thể đo lường điều gì để thực sự cho tôi biết chuyện gì đang xảy ra?” Natelson băn khoăn.

Giải phẫu điện

Mục tiêu của đội là mổ xẻ dòng điện trong một kim loại lạ. Nó có chứa những khối điện tích có kích thước bằng electron không? Nó có thành từng khối không? Để tìm hiểu, họ lấy cảm hứng từ một phương pháp cổ điển để đo sự dao động của dòng chảy - "tiếng ồn" - một hiện tượng có thể hiểu được nếu chúng ta nghĩ về cách mưa có thể rơi khi có mưa bão.

Hãy tưởng tượng bạn đang ngồi trong ô tô và bạn biết từ dự báo thời tiết đáng tin cậy rằng lượng mưa 5 mm sẽ rơi trong giờ tới. 5 mm đó giống như tổng dòng điện. Nếu cơn mưa đó được chia thành một số ít những giọt khổng lồ, thì sự thay đổi về thời điểm những giọt đó rơi xuống mái nhà của bạn sẽ rất cao; đôi khi các giọt sẽ bắn tung tóe trở lại, và vào những thời điểm khác, chúng sẽ cách đều nhau. Trong trường hợp này, tiếng ồn bắn cao. Nhưng nếu cùng một lượng mưa 5 mm được rải thành một màn sương liên tục gồm những giọt nhỏ, thì sự thay đổi về thời gian đến - và do đó tiếng ồn bắn - sẽ thấp. Sương mù sẽ cung cấp lượng nước gần như nhau một cách trơn tru theo từng thời điểm. Bằng cách này, tiếng ồn khi bắn cho thấy kích thước của giọt nước.

Natelson nói: “Chỉ đo tốc độ xuất hiện của nước không cho bạn biết toàn bộ bức tranh”. “Đo lường sự biến động [trong tỷ lệ đó] cho bạn biết nhiều điều hơn.”

Tương tự như vậy, việc lắng nghe tiếng kêu lách tách của dòng điện có thể cho bạn biết về các phần điện tích tạo nên nó. Những khối đó thường là các giả hạt giống electron của Landau. Thật vậy, ghi lại tiếng ồn bắn vào kim loại bình thường là cách phổ biến để đo điện tích cơ bản của electron - 1.6 × 10^-19 culông.

Để tìm hiểu tâm điểm dòng điện của một kim loại lạ, nhóm nghiên cứu muốn đo tiếng ồn khi bắn. Nhưng nhiễu điện tử có thể bị che khuất nếu các electron bị đẩy xung quanh bởi các gợn sóng trong mạng nguyên tử của kim loại. Để tránh hiện tượng mờ đó, các nhà nghiên cứu truyền dòng điện qua dây ngắn đến mức các gợn sóng không có thời gian để tác động lên các electron. Những dây này cần phải có kích thước nano.

Nhóm đã chọn làm việc với một kim loại lạ đặc biệt được làm từ ytterbium, rhodium và silicon vì cộng tác viên lâu năm của Natelson và Si, Silke Bühler-Paschen của Đại học Công nghệ Vienna, đã tìm ra cách phát triển vật liệu trong các màng dày chỉ hàng chục nanomet. Điều đó quan tâm đến một chiều không gian.

Sau đó, Chen phải tìm ra cách lấy những tấm phim đó và tạo ra một sợi dây có chiều dài và chiều rộng chỉ nanomet.

Trong khoảng một năm, Chen đã thử nghiệm nhiều cách khác nhau để mài mòn kim loại bằng cách phun cát hiệu quả bằng nguyên tử. Nhưng hết thử nghiệm này đến thử nghiệm khác, ông phát hiện ra rằng các dây nano thu được bị hư hại ở quy mô nguyên tử, phá hủy điện trở tuyến tính đặc trưng của kim loại lạ. Sau hàng chục lần thử, anh đã đạt được một quy trình thành công: Anh mạ crom kim loại, sử dụng một dòng khí argon để thổi bay tất cả ngoại trừ một dòng mỏng kim loại lạ được bảo vệ bằng crom, sau đó loại bỏ crom bằng một chậu nước. của axit clohiđric.

Cuối cùng, Chen, người đã lấy được bằng tiến sĩ thành công vào mùa xuân và từ đó chuyển sang làm việc trong lĩnh vực tài chính, đã chế tạo được một số dây nano gần như hoàn hảo. Mỗi tế bào dài khoảng 600 nanomet, rộng 200 nanomet – hẹp hơn khoảng 50 lần so với tế bào hồng cầu.

Sau khi làm lạnh chúng đến nhiệt độ Kelvin ở mức một chữ số, các nhà nghiên cứu đã cho dòng điện chạy qua các dây nano kim loại kỳ lạ. Họ cũng cho dòng điện chạy qua các dây nano làm bằng vàng bình thường. Dòng điện trong sợi dây vàng kêu lách tách theo cách quen thuộc giống như dòng điện tạo thành từ các giả hạt tích điện - giống như những hạt mưa béo bắn tung tóe trên nóc ô tô. Nhưng trong kim loại kỳ lạ, dòng điện lặng lẽ chạy qua dây nano, một hiệu ứng giống như tiếng rít gần như im lặng của sương mù. Cách giải thích đơn giản nhất của thí nghiệm này là điện tích trong kim loại kỳ lạ này không chảy theo từng khối có kích thước bằng electron.

“Dữ liệu thực nghiệm cung cấp bằng chứng mạnh mẽ cho thấy các giả hạt bị mất trong kim loại lạ”, Si nói.

Tuy nhiên, không phải tất cả các nhà vật lý đều hoàn toàn bị thuyết phục rằng thí nghiệm này sẽ tiêu diệt các giả hạt của Landau. “Đó là một tuyên bố rất táo bạo,” nói Brad Ramshaw, một nhà vật lý tại Đại học Cornell. “Vì vậy, bạn cần dữ liệu đậm nét.”

Một hạn chế của thí nghiệm là nhóm chỉ thử nghiệm một vật liệu. Chỉ vì tiếng ồn bắn trong hỗn hợp ytterbium, rhodium và silicon của Chen thấp, điều đó không đảm bảo rằng nó thấp trong các kim loại lạ khác. Và một sự bất thường chỉ xảy ra một lần luôn có thể được cho là do một số chi tiết chưa được hiểu rõ về tài liệu đó.

Ramshaw cũng chỉ ra rằng kim loại có đủ mọi hình thức rung động lạ điều đó có thể làm biến dạng tiếng ồn của dòng điện. Chen và các đồng nghiệp của ông đã loại trừ sự can thiệp từ những rung động phổ biến hơn, nhưng có thể một gợn sóng kỳ lạ nào đó đã khiến họ không chú ý đến.

Tuy nhiên, Ramshaw thấy thí nghiệm này rất hấp dẫn. “Nó thúc đẩy mạnh mẽ mọi người cố gắng làm những việc khác để xem liệu chúng có phù hợp với việc không có electron hay không,” ông nói.

Nếu không phải là electron thì là gì?

Nếu bức tranh giả hạt tiếp tục vỡ vụn, cái gì có thể thay thế nó? Làm thế nào dòng điện chuyển động xung quanh các kim loại lạ nếu không phải trong các gói điện tích giống như electron? Đó không phải là một tình huống dễ mô tả, càng không dễ dàng đưa vào các thuật ngữ toán học chính xác. Natelson nói: “Từ vựng phù hợp để sử dụng là gì nếu bạn không định nói về các giả hạt?”

Khi bị thúc ép, các nhà vật lý trả lời câu hỏi này bằng một loạt ẩn dụ về những gì xuất hiện khi các electron riêng lẻ biến mất: Chúng tan thành một món súp lượng tử vướng víu; chúng đông lại thành thạch; chúng tạo thành một đống điện tích sủi bọt tung tóe xung quanh. Philip Phillips của Urbana-Champaign ví các electron của kim loại lạ giống như cao su trong lốp xe. Khi cao su ra khỏi cây, các phân tử của nó xếp thành từng chuỗi riêng lẻ. Nhưng trong quá trình lưu hóa, những sợi dây này biến thành một tấm lưới chắc chắn. Một chất mới xuất hiện từ tập hợp các cá thể. “Bạn đang nhận được thứ gì đó lớn hơn tổng số các phần của nó,” anh nói. “Bản thân các electron không có tính toàn vẹn.”

Để vượt xa những mô tả mơ hồ về sự xuất hiện, các nhà vật lý cần một mô tả toán học chính xác – một lý thuyết chất lỏng Fermi cho đến nay vẫn chưa được khám phá đối với các kim loại lạ. Sachdev đã giúp phát triển một ứng cử viên đơn giản, mô hình SYK, vào đầu những năm 1990. Nó có điện trở tuyến tính đúng, nhưng nó không liên quan gì đến vật liệu thực được tạo thành từ một mạng lưới nguyên tử thực sự. Trước hết, nó không có không gian; tất cả các electron ngồi tại một điểm duy nhất nơi chúng tương tác ngẫu nhiên và bị vướng víu với tất cả các electron khác.

Trong vài năm qua, Sachdev, Aavishkar Patel của Viện Flatiron và các cộng tác viên của họ đang nghiên cứu mang không gian vào mô hình SYK. Họ trải rộng các tương tác điện tử trong không gian bằng cách xem xét tác động của các lỗ hổng trong mạng nguyên tử – những điểm mà nguyên tử bị mất hoặc các nguyên tử bổ sung xuất hiện. Sự phủ bụi không hoàn hảo của nguyên tử này gây ra những biến đổi ngẫu nhiên trong cách các cặp electron tương tác và trở nên vướng víu. Tấm thảm kết quả gồm các electron vướng víu có điện trở tăng tuyến tính – dấu hiệu đặc trưng của một kim loại lạ. Gần đây họ đã sử dụng khuôn khổ của họ để tính toán tiếng ồn bắn cũng. Các con số không hoàn toàn khớp với quan sát của Chen, nhưng chúng tạo thành cùng một mô hình định tính. “Tất cả các xu hướng đều đúng,” Sachdev nói.

Các nhà nghiên cứu khác nhấn mạnh rằng tình hình lý thuyết vẫn còn lỏng lẻo - một số người không rõ liệu các vật liệu khác biệt với nhau như các tấm graphene và chất siêu dẫn cuprate có thể chia sẻ một loạt các sai sót tương tự nhau để tạo ra các đặc tính kim loại lạ chung trong cách mà lý thuyết của Sachdev và Patel yêu cầu. Và có rất nhiều lý thuyết thay thế. Ví dụ, Phillips nghi ngờ rằng các kim loại lạ kêu gọi một dạng điện từ mới xuất hiện điều đó không dựa vào toàn bộ electron. Trong khi đó, Si và Bühler-Paschen đã dành gần 20 năm phát triển và khám phá a lý thuyết về cách các giả hạt hòa tan khi một hệ nằm ở vị trí “điểm tới hạn lượng tử,” nơi hai trạng thái cơ học lượng tử khác nhau tranh giành thế thượng phong. Trong thí nghiệm tiếng ồn bắn, họ đã đưa các dây nano của mình đến điểm tới hạn như vậy.

Trong khi các nhà vật lý vẫn chưa nhất trí về lý do tại sao các điện tích dường như hòa tan bên trong các kim loại lạ, hoặc ngay cả khi chúng thực sự hòa tan, họ vẫn quyết tâm tìm ra.

Natelson nói: “Nếu chúng tôi thực sự nghĩ rằng có cả một loại kim loại mà chúng tôi không hiểu, thì điều quan trọng là phải hiểu chúng”.

Lưu ý của biên tập viên: Viện Flatiron được tài trợ bởi Quỹ Simons, tổ chức này cũng tài trợ cho tạp chí biên tập độc lập này. Cả Viện Flatiron và Quỹ Simons đều không có bất kỳ ảnh hưởng nào đến phạm vi đưa tin của chúng tôi. Thêm thông tin có sẵn tại đây.

Quanta đang tiến hành một loạt cuộc khảo sát để phục vụ khán giả của chúng tôi tốt hơn. Lấy của chúng tôi khảo sát độc giả vật lý và bạn sẽ được tham gia để giành chiến thắng miễn phí Quanta hàng hóa.