[技術(shù)前沿]奇怪的金屬：沒有電子的情況下電流也可以流動(dòng)
電流順利獲得一類奇怪的金屬的異常流動(dòng)挑戰(zhàn)了 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 教科書上對(duì)帶電粒子的理解——因?yàn)槿魏卧谶@些金屬中穿梭電流的東西看起來都不像電子
經(jīng)過一年的反復(fù)試驗(yàn)，陳立陽成功地將一根金屬絲削成一根直徑為大腸桿菌一半的微小線大腸桿菌 細(xì)菌——薄到足以讓電流順利獲得。陳希望，電流的滴落有助于解開一個(gè)長(zhǎng)期存在的謎團(tuán)，即電荷如何穿過一類被稱為奇怪金屬的令人困惑的材料。
當(dāng)時(shí)還是研究生的陳和他在萊斯大學(xué)的合作者測(cè)量了流過他們的原子細(xì)金屬線的電流。他們發(fā)現(xiàn)它流動(dòng)順暢且均勻。事實(shí)上，它是如此均勻，以至于違背了物理學(xué)家對(duì)金屬中電的標(biāo)準(zhǔn)概念。
按照規(guī)范，電流是由電子的集體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的，每個(gè)電子都攜帶一個(gè)不可分割的電荷塊。但陳的電流死一般的穩(wěn)定意味著它根本不是由單位組成的。這就像找到一種不知何故缺乏可單獨(dú)識(shí)別分子的液體。
雖然這聽起來有些奇怪，但這正是一些物理學(xué)家對(duì)該小組測(cè)試的金屬的期望，自20世紀(jì)80年代以來，這種金屬及其不尋常的同類不斷讓物理學(xué)家著迷和困惑。“這是一件非常漂亮的作品，”哈佛大學(xué)專門研究奇異金屬的理論物理學(xué)家Subir Sachdev說道。
觀察結(jié)果，上周報(bào)道在期刊科學(xué)，是迄今為止最直接的跡象之一，表明順利獲得這些不尋常的金屬傳輸電流的任何東西看起來都不像電子。這項(xiàng)新實(shí)驗(yàn)加深了人們的懷疑，即奇怪的金屬中正在出現(xiàn)一種新的量子現(xiàn)象。它還為試圖理解它可能是什么的理論物理學(xué)家給予了新的依據(jù)。
“奇怪的金屬，沒有人知道它們來自哪里，”大學(xué)物理學(xué)家Peter Abbamonte說道伊利諾伊州厄巴納-尚佩恩市。“這曾經(jīng)被認(rèn)為是一種不便，但現(xiàn)在 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 意識(shí)到這實(shí)際上是生活在這些東西中的物質(zhì)的不同階段。”
銅質(zhì)扳手
對(duì)金屬傳統(tǒng)理解的第一個(gè)挑戰(zhàn)出現(xiàn)在1986年，當(dāng)時(shí)Georg Bednorz和Karl Alex Müller發(fā)現(xiàn)了高溫超導(dǎo)體，這種材料即使在相對(duì)溫暖的溫度下也能完美地傳輸電流，震驚了物理學(xué)界。錫和汞等常見金屬只有在冷卻到絕對(duì)零度數(shù)度以內(nèi)時(shí)才能成為超導(dǎo)體。Bednorz和Müller測(cè)量了銅基（“銅酸鹽”）材料的電阻，發(fā)現(xiàn)電阻在相對(duì)溫和的35開爾文時(shí)消失。（由于他們的突破性發(fā)現(xiàn)，貝德諾茲和穆勒僅僅一年后就取得了諾貝爾獎(jiǎng)。）
物理學(xué)家很快意識(shí)到高溫超導(dǎo)性只是銅酸鹽神秘行為的開始。
為了開始分析流經(jīng)奇怪金屬的奇異電流，道格拉斯·內(nèi)特爾森和他的同事需要弄清楚攜帶電流的電荷單位
當(dāng)銅氧化物停止超導(dǎo)并開始抵抗時(shí)，它們變得非常奇怪。當(dāng)所有金屬變暖時(shí)，電阻會(huì)增加。溫度升高意味著原子和電子的抖動(dòng)更大，當(dāng)電子在材料中穿梭電流時(shí)，會(huì)產(chǎn)生更多的阻力引發(fā)碰撞。在鎳等普通金屬中，電阻在低溫下呈二次方上升——一開始緩慢，然后越來越快。但在銅氧化物中，它呈線性上升：每升高一度都會(huì)帶來同樣的電阻增加——這種奇怪的模式持續(xù)了數(shù)百度，就奇怪而言，掩蓋了材料的超導(dǎo)能力。銅酸鹽是研究人員見過的最奇怪的金屬。
“超導(dǎo)性是一只老鼠，”明尼蘇達(dá)大學(xué)理論物理學(xué)家Andrey Chubukov說道。“大象……就是這種奇怪的金屬行為。”
電阻的線性上升威脅到了關(guān)于電荷如何在金屬中移動(dòng)的著名解釋。Lev Landau于1956年提出的“費(fèi)米液體”理論將電子置于其中心。它建立在早期的理論之上，為簡(jiǎn)單起見，假設(shè)電子攜帶電流，并且電子像氣體一樣穿過金屬；它們?cè)谠又g自由飛行，彼此不相互作用。
蘭道添加了一種處理電子相互作用這一關(guān)鍵但復(fù)雜事實(shí)的方法。它們帶負(fù)電，這意味著它們不斷相互排斥?？紤]到粒子之間的這種相互作用將電子氣變成了海洋——現(xiàn)在，當(dāng)一個(gè)電子穿過電子流體時(shí)，它會(huì)干擾附近的電子。順利獲得一系列涉及相互排斥的復(fù)雜相互作用，這些現(xiàn)在輕輕相互作用的電子最終以群體形式運(yùn)動(dòng)——稱為準(zhǔn)粒子的團(tuán)塊。
費(fèi)米液體理論的奇跡在于，每個(gè)準(zhǔn)粒子的行為幾乎與單個(gè)基本電子完全相同。然而，一個(gè)主要的區(qū)別是，這些斑點(diǎn)比裸電子移動(dòng)得更慢或更靈活（取決于材料），實(shí)際上更重或更輕?，F(xiàn)在，只需調(diào)整方程中的質(zhì)量項(xiàng)，物理學(xué)家就可以繼續(xù)將電流視為電子的運(yùn)動(dòng)，只是用星號(hào)指定每個(gè)電子實(shí)際上是一個(gè)準(zhǔn)粒子團(tuán)。
朗道框架的一個(gè)重大勝利在于，它在普通金屬中解決了電阻隨溫度呈二次方上升的復(fù)雜方式。類電子準(zhǔn)粒子成為理解金屬的標(biāo)準(zhǔn)方法。“每本教科書中都有它，”薩奇德夫說。
但在銅國(guó)，蘭道的理論卻徹底失敗了。阻力以完美的直線而不是標(biāo)準(zhǔn)的二次曲線上升。長(zhǎng)期以來，物理學(xué)家不斷將這條線解釋為銅酸鹽是一種新物理現(xiàn)象發(fā)源地的標(biāo)志。
“你必須相信大自然要么給你給予線索，要么大自然極其殘酷，”Gregory Boebinger說道，佛羅里達(dá)州立大學(xué)的物理學(xué)家，他職業(yè)生涯的大部分時(shí)間都在研究銅酸鹽的線性響應(yīng)。“貼上如此簡(jiǎn)單且令人著迷的簽名，而且它在物理上并不重要，這實(shí)在讓人難以忍受?！?/p>
銅獎(jiǎng)只是一個(gè)開始。此后，研究人員發(fā)現(xiàn)了許多不同的材料具有同樣誘人的線性電阻，包括有機(jī)“貝希加德鹽”和錯(cuò)位的石墨烯片。隨著這些“奇怪的金屬”的擴(kuò)散，科學(xué)家們想知道為什么蘭道的費(fèi)米流體理論似乎在所有這些不同的材料中都失效了。有些人開始懷疑這是因?yàn)楦静淮嬖跍?zhǔn)粒子。電子以某種奇怪的新方式組織起來，掩蓋了任何個(gè)性，就像葡萄的離散性質(zhì)在一瓶酒中消失一樣。
作為一名研究生，陳立陽花了一年的時(shí)間研究如何制造比單個(gè)細(xì)菌細(xì)胞還細(xì)的金屬絲
“在物質(zhì)的這個(gè)相中，電子確實(shí)沒有身份，”阿巴蒙特說。“盡管如此，一種奇怪的金屬就是金屬；它以某種方式攜帶電流?！?/p>
但是電子并不是簡(jiǎn)單地廢除。對(duì)于一些科學(xué)家來說，潛在的陸續(xù)在電流（未分成電子的電流）過于激進(jìn)。一些奇怪的金屬實(shí)驗(yàn)繼續(xù)符合朗道理論的某些預(yù)測(cè)。持續(xù)存在的爭(zhēng)議促使陳的論文導(dǎo)師、萊斯大學(xué)的Douglas Natelson和他的同事齊苗斯，考慮如何更直接地檢查穿過奇怪金屬的電荷的解剖結(jié)構(gòu)。
“我可以測(cè)量什么來真正告訴我發(fā)生了什么？”內(nèi)特爾森想知道。
電的解剖
該團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)是剖析一種奇怪金屬中的電流。它是以電子大小的電荷塊形式出現(xiàn)的嗎？它是大塊地進(jìn)來的嗎？為了找到答案，他們從一種測(cè)量流量波動(dòng)的經(jīng)典方法——“散粒噪聲”中取得靈感——如果 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 想想暴風(fēng)雨期間下雨的方式，就可以理解這種現(xiàn)象。
想象一下，您坐在車?yán)?，根據(jù)可靠的天氣預(yù)報(bào)，您知道未來一小時(shí)將下5毫米的降雨。這5毫米就像總電流。如果雨水被分散成一小撮巨大的雨滴，那么這些雨滴擊中屋頂?shù)臅r(shí)間變化將會(huì)很大；有時(shí)水滴會(huì)陸續(xù)在飛濺，有時(shí)它們會(huì)間隔開。在這種情況下，散粒噪聲很高。但如果同樣5毫米的降雨散布成由微小水滴組成的持續(xù)薄霧，到達(dá)時(shí)間的變化（以及由此產(chǎn)生的散粒噪聲）就會(huì)很低。霧氣會(huì)時(shí)時(shí)刻刻平穩(wěn)地輸送幾乎相同量的水。順利獲得這種方式，散粒噪聲揭示了液滴的大小。
“僅僅測(cè)量水出現(xiàn)的速度并不能告訴你整個(gè)情況，”內(nèi)特爾森說。“測(cè)量該比率的波動(dòng)可以告訴你更多信息?！?/p>
同樣，聽電流中的爆裂聲可以告訴您構(gòu)成電流的電荷塊。這些塊通常是朗道的類電子準(zhǔn)粒子。事實(shí)上，記錄普通金屬中的散粒噪聲是測(cè)量電子基本電荷的常用方法 庫侖。
內(nèi)特爾森和他的同事用來測(cè)量散粒噪聲的奇怪金屬裝置（左），以及陳制作的電線的放大圖像，該電線跨度僅數(shù)百納米，連接兩個(gè)較大的部分。這些部分中的損壞點(diǎn)是連接電線以驅(qū)動(dòng)電流的地方
為了分析一種奇怪金屬電流的核心，該團(tuán)隊(duì)想要測(cè)量散粒噪聲。但如果電子被金屬原子晶格中的波紋有助于，電子散粒噪聲就會(huì)被掩蓋。為了避免這種模糊，研究人員順利獲得很短的電線發(fā)送電流，這樣波紋就沒有時(shí)間影響電子。這些電線的尺寸必須是納米級(jí)的。
該小組選擇使用一種由鐿、銠和硅制成的特殊奇怪金屬，因?yàn)镹atelson和Si的長(zhǎng)期合作者，Silke Bühler-Paschen。
然后，陳負(fù)責(zé)研究如何使用這些薄膜并雕刻出長(zhǎng)度和寬度僅為納米的電線。
在大約一年的時(shí)間里，陳測(cè)試了順利獲得用原子有效噴砂來切削金屬的不同方法。但在一次又一次的試驗(yàn)中，他發(fā)現(xiàn)由此產(chǎn)生的納米線遭受了原子級(jí)的損傷，破壞了這種奇怪金屬的線性電阻特性。經(jīng)過數(shù)十次嘗試，他找到了一種行之有效的工藝：他在金屬上鍍上鉻，用氬氣流吹掉除鉻保護(hù)的奇怪金屬之外的所有金屬，然后用浴將鉻剝掉。鹽酸。
最終，陳在今年春天成功取得了博士學(xué)位，并從此從事金融工作，制作出了一些幾乎完美的納米線。每個(gè)大約長(zhǎng)600納米，寬200納米，比紅細(xì)胞窄50倍左右。
將它們冷卻到寒冷的開爾文溫度后，研究人員讓電流順利獲得奇怪的金屬納米線。他們還順利獲得普通金制成的納米線輸送電流。金線中的電流以熟悉的帶電準(zhǔn)粒子電流的方式發(fā)出噼啪聲——就像肥大的雨滴濺落在車頂上一樣。但在這種奇怪的金屬中，電流靜靜地穿過納米線，這種效果類似于霧氣幾乎無聲的嘶嘶聲。該實(shí)驗(yàn)最直接的解釋是，這種奇怪金屬中的電荷不會(huì)以電子大小的塊狀流動(dòng)。
“實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)給予了強(qiáng)有力的證據(jù)，證明準(zhǔn)粒子在這種奇怪的金屬中消失了，”西說。
然而，并非所有物理學(xué)家都完全相信該實(shí)驗(yàn)會(huì)殺死朗道的準(zhǔn)粒子。“這是一個(gè)非常大膽的主張，”康奈爾大學(xué)物理學(xué)家Brad Ramshaw說道。“所以你需要大膽的數(shù)據(jù)?！?/p>
該實(shí)驗(yàn)的一個(gè)限制是該小組僅測(cè)試了一種材料。僅僅因?yàn)殛惖蔫O、銠和硅混合物中的散粒噪聲較低，并不能保證其他奇怪金屬中的散粒噪聲也較低。一次性異常總是可以歸因于對(duì)該材料的一些知之甚少的細(xì)節(jié)。
拉姆肖還指出，金屬環(huán)會(huì)產(chǎn)生各種奇怪的振動(dòng)，這些振動(dòng)可能會(huì)扭曲電流中的散粒噪聲。陳和他的同事排除了更常見振動(dòng)的干擾，但有可能一些奇異的漣漪躲過了他們的注意。
盡管如此，拉姆肖還是發(fā)現(xiàn)這個(gè)實(shí)驗(yàn)很引人注目。“這強(qiáng)烈激勵(lì)人們嘗試做其他事情，看看它們是否也與沒有電子一致，”他說。
如果不是電子，那又是什么？
如果準(zhǔn)粒子圖像繼續(xù)崩潰，什么可以取代它？如果電流不是在類似電子的電荷包中移動(dòng)，那么電流如何在奇怪的金屬周圍移動(dòng)？這不是一個(gè)容易描述的情況，更不用說用精確的數(shù)學(xué)術(shù)語來描述了。內(nèi)特爾森說：“如果你不打算談?wù)摐?zhǔn)粒子，那么正確的詞匯是什么？”
當(dāng)受到追問時(shí)，物理學(xué)家用一個(gè)顫抖的隱喻來回答這個(gè)問題，即單個(gè)電子消失時(shí)會(huì)出現(xiàn)什么：它們?nèi)诤铣杉m纏的量子湯；它們凝結(jié)成果凍；它們形成一團(tuán)亂七八糟的泡沫狀電荷，四處晃動(dòng)。厄巴納-香檳分校的Philip Phillips將奇怪金屬的電子比作輪胎中的橡膠。當(dāng)橡膠從樹上長(zhǎng)出來時(shí)，它的分子會(huì)排列成單獨(dú)的線。但在硫化過程中，這些繩子變成了堅(jiān)固的網(wǎng)。一種新的物質(zhì)從個(gè)體的集合中出現(xiàn)。“你得到的東西比各個(gè)部分的總和還要大，”他說。“電子本身沒有完整性?！?/p>
維也納科技大學(xué)的Silke Paschen和萊斯大學(xué)的Qimiao Si花了近20年的時(shí)間研究當(dāng)兩個(gè)量子態(tài)爭(zhēng)奪金屬中的主導(dǎo)地位時(shí)準(zhǔn)粒子消失的概念
為了超越對(duì)涌現(xiàn)的模糊描述，物理學(xué)家需要精確的數(shù)學(xué)描述——一種尚未發(fā)現(xiàn)的奇異金屬費(fèi)米流體理論。Sachdev在20世紀(jì)90年代初幫助開發(fā)了一種簡(jiǎn)單化的候選模型 SYK 模型。它得到了正確的線性電阻，但它與由真實(shí)原子網(wǎng)格構(gòu)成的真實(shí)材料完全無關(guān)。一方面，它沒有空間；另一方面，它沒有空間。所有電子都位于一個(gè)點(diǎn)，在那里它們隨機(jī)相互作用并與所有其他電子糾纏在一起。
過去幾年，Sachdev、Flatiron Institute 的Aavishkar Patel及其合作者不斷在致力于為 SYK 模型帶來空間。他們順利獲得考慮原子晶格缺陷的影響（原子缺失或額外原子出現(xiàn)的位置）將電子相互作用傳播到整個(gè)空間。這種原子缺陷的散布會(huì)導(dǎo)致電子對(duì)相互作用和糾纏的隨機(jī)變化。由此產(chǎn)生的糾纏電子織錦具有線性上升的電阻——這是一種奇怪金屬的標(biāo)志。他們最近還使用自己的框架來計(jì)算散粒噪聲。這些數(shù)字與陳的觀察并不完全相符，但它們形成了相同的定性模式。“所有趨勢(shì)都是正確的，”薩奇德夫說。
其他研究人員強(qiáng)調(diào)，理論情況仍然不穩(wěn)定 - 有些人不清楚像石墨烯片和銅酸鹽超導(dǎo)體這樣彼此不同的材料是否都具有足夠相似的缺陷，從而產(chǎn)生共同的奇怪現(xiàn)象-按照薩赫德夫和帕特爾理論所需的方式取得金屬特性。另類理論比比皆是。例如，菲利普斯懷疑奇怪的金屬需要一種不依賴于整個(gè)電子的新興電磁學(xué)形式。與此同時(shí)，Si和布勒-帕辰花了近20年的時(shí)間開展和探索理論分析當(dāng)系統(tǒng)處于“量子臨界點(diǎn)”時(shí)準(zhǔn)粒子如何溶解，此時(shí)兩種不同的量子力學(xué)狀態(tài)會(huì)爭(zhēng)奪上風(fēng)。在散粒噪聲實(shí)驗(yàn)中，他們將納米線帶到了這樣一個(gè)臨界點(diǎn)。
盡管物理學(xué)家尚未就為什么電荷似乎溶解在奇怪的金屬內(nèi)達(dá)成一致，或者即使它們確實(shí)溶解了，他們也決心找出答案。
內(nèi)特爾森說：“如果 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 真的認(rèn)為有一整類 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 不分析的金屬，那么分析它們就很重要。”
原文鏈接：http://www.quantamagazine.org/meet-strange-metals-where-electricity-may-flow-without-electrons-20231127/
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