Lernen Sie seltsame Metalle kennen: Wo Strom ohne Elektronen fließen kann | Quanta-Magazin

Nach einem Jahr voller Versuche und Irrtümer war es Liyang Chen gelungen, einen Metalldraht in einen mikroskopisch kleinen Strang von der halben Breite eines Drahtes zu zerschneiden E.coli Bakterium – gerade dünn genug, um ein Rinnsal elektrischen Stroms durchzulassen. Die Tropfen dieses Stroms könnten, so hoffte Chen, dazu beitragen, ein hartnäckiges Rätsel darüber zu lösen, wie sich Ladung durch eine verwirrende Klasse von Materialien bewegt, die als seltsame Metalle bekannt sind.

Chen, damals Doktorand, und seine Mitarbeiter an der Rice University maßen den Strom, der durch ihren atomar dünnen Metallstrang floss. Und sie stellten fest, dass es reibungslos und gleichmäßig verlief. Tatsächlich so gleichmäßig, dass es der Standardvorstellung der Physiker über Elektrizität in Metallen widersprach.

Kanonisch gesehen entsteht elektrischer Strom aus der kollektiven Bewegung von Elektronen, von denen jedes einen unteilbaren Teil elektrischer Ladung trägt. Doch die absolut gleichmäßige Strömung von Chen deutete darauf hin, dass sie überhaupt nicht aus Einheiten bestand. Es war, als würde man eine Flüssigkeit finden, der es irgendwie an einzeln erkennbaren Molekülen mangelte.

Auch wenn das vielleicht abwegig klingt, ist es genau das, was einige Physiker von dem von der Gruppe getesteten Metall erwartet hatten, das zusammen mit seinen ungewöhnlichen Verwandten seit den 1980er Jahren Physiker fasziniert und verwirrt hat. „Es ist ein sehr schönes Werk“, sagte er Subir Sachdev, ein theoretischer Physiker an der Harvard University, der sich auf seltsame Metalle spezialisiert hat.

Die Beobachtung, berichtete letzte Woche, in der Zeitschrift Wissenschaft, ist einer der bisher eindeutigsten Hinweise darauf, dass alles, was Strom durch diese ungewöhnlichen Metalle leitet, überhaupt nicht wie Elektronen aussieht. Das neue Experiment verstärkt den Verdacht, dass in fremden Metallen ein neues Quantenphänomen entsteht. Es liefert auch neue Erkenntnisse für theoretische Physiker, die versuchen zu verstehen, was es sein könnte. 

„Seltsame Metalle, niemand hat eine Ahnung, woher sie kommen“, sagte er Peter Abbamonte, ein Physiker an der University of Illinois, Urbana-Champaign. „Früher galt es als lästig, aber jetzt erkennen wir, dass in diesen Dingern wirklich eine andere Phase der Materie lebt.“

Ein Cuprate-Schraubenschlüssel

Die erste Herausforderung für das herkömmliche Verständnis von Metallen kam 1986, als Georg Bednorz und Karl Alex Müller die Welt der Physik mit ihrer Entdeckung von Hochtemperatur-Supraleitern erschütterten – Materialien, die selbst bei relativ warmen Temperaturen perfekt elektrischen Strom leiten. Bekannte Metalle wie Zinn und Quecksilber werden erst dann zu Supraleitern, wenn sie auf wenige Grad unter dem absoluten Nullpunkt abgekühlt werden. Bednorz und Müller maßen den elektrischen Widerstand in einem Material auf Kupferbasis („Cuprat“) und stellten fest, dass dieser bei relativ milden 35 Kelvin verschwand. (Für ihre bahnbrechende Entdeckung erhielten Bednorz und Müller nur ein Jahr später einen Nobelpreis.)

Physiker erkannten bald, dass die Hochtemperatursupraleitung nur der Anfang des mysteriösen Verhaltens der Kuprate war.

Die Kuprate wurden wirklich seltsam, als sie aufhörten zu supraleiten und Widerstand leisteten. Wenn sich alle Metalle erwärmen, erhöht sich der Widerstand. Höhere Temperaturen führen dazu, dass Atome und Elektronen stärker hin und her wackeln, was zu mehr widerstandsinduzierenden Kollisionen führt, wenn Elektronen Strom durch ein Material transportieren. Bei normalen Metallen wie Nickel steigt der Widerstand bei niedrigen Temperaturen quadratisch an – zunächst langsam und dann immer schneller. Aber in den Kupraten stieg er linear an: Jedes Grad Erwärmung brachte den gleichen Anstieg des Widerstands mit sich – ein bizarres Muster, das sich über Hunderte von Grad fortsetzte und, was die Seltsamkeit betrifft, die supraleitende Fähigkeit des Materials in den Schatten stellte. Die Kuprate waren die seltsamsten Metalle, die Forscher je gesehen hatten.

„Supraleitung ist eine Maus“, sagte er Andrey Chubukov, ein theoretischer Physiker an der University of Minnesota. „Der Elefant … ist dieses seltsame Metallverhalten.“

Der lineare Widerstandsanstieg bedrohte eine berühmte Erklärung dafür, wie sich elektrische Ladung durch Metalle bewegt. Die 1956 vorgeschlagene „Fermi-Flüssigkeits“-Theorie von Lev Landau stellte die Elektronen in den Mittelpunkt. Es baute auf früheren Theorien auf, die der Einfachheit halber davon ausgingen, dass Elektronen elektrischen Strom transportieren und dass sich die Elektronen durch ein Metall wie ein Gas bewegen; Sie huschen frei zwischen Atomen hin und her, ohne miteinander zu interagieren.

Landau fügte einen Weg hinzu, mit der entscheidenden, aber komplizierten Tatsache umzugehen, dass Elektronen interagieren. Sie sind negativ geladen, das heißt, sie stoßen sich ständig gegenseitig ab. Wenn man bedenkt, dass diese Wechselwirkung zwischen den Teilchen das Elektronengas in eine Art Ozean verwandelte – wenn sich nun ein Elektron durch die Elektronenflüssigkeit bewegte, störte es die Elektronen in der Nähe. Durch eine komplizierte Reihe von Wechselwirkungen mit gegenseitiger Abstoßung wanderten diese nun sanft interagierenden Elektronen schließlich in Massen – in Klumpen, die als Quasiteilchen bekannt sind.

Das Wunder der Fermi-Flüssigkeitstheorie bestand darin, dass sich jedes Quasiteilchen fast genau so verhielt, als wäre es ein einzelnes, fundamentales Elektron. Ein wesentlicher Unterschied bestand jedoch darin, dass sich diese Klumpen langsamer oder flinker (je nach Material) bewegten als ein bloßes Elektron und somit schwerer oder leichter wirkten. Nun konnten Physiker allein durch die Anpassung der Massenterme in ihren Gleichungen den Strom weiterhin als die Bewegung von Elektronen behandeln, nur mit einem Sternchen, das angab, dass jedes Elektron tatsächlich ein Quasiteilchenklumpen war.

Ein großer Triumph von Landaus System bestand darin, dass es bei normalen Metallen die komplizierte Art und Weise auf den Punkt brachte, wie der Widerstand quadratisch mit der Temperatur ansteigt. Elektronenähnliche Quasiteilchen wurden zur Standardmethode für das Verständnis von Metallen. „Es steht in jedem Lehrbuch“, sagte Sachdev.

Doch in den Kupraten scheiterte Landaus Theorie dramatisch. Der Widerstand stieg in einer makellosen Linie und nicht in der standardmäßigen quadratischen Kurve. Physiker interpretieren diese Linie seit langem als Zeichen dafür, dass Kuprate ein neues physikalisches Phänomen beherbergen.

„Man muss so ziemlich davon überzeugt sein, dass die Natur einem entweder einen Hinweis gibt oder dass die Natur unglaublich grausam ist“, sagte er Gregory Böbinger, ein Physiker an der Florida State University, der einen Großteil seiner Karriere damit verbracht hat, die lineare Reaktion der Kuprate zu untersuchen. „Eine so furchtbar einfache und betörende Signatur aufzustellen und gleichzeitig dafür zu sorgen, dass sie körperlich nicht wichtig ist, wäre einfach zu viel, um sie zu ertragen.“

Und die Kuprate waren erst der Anfang. Forscher haben seitdem eine entdeckt Vielzahl unterschiedlicher Materialien mit dem gleichen verführerischen linearen Widerstand, einschließlich organischer „Bechgaard-Salze“ und falsch ausgerichteter Graphenschichten. Als sich diese „seltsamen Metalle“ vermehrten, fragten sich Wissenschaftler, warum Landaus Fermi-Fluid-Theorie in all diesen verschiedenen Materialien zu scheitern schien. Einige vermuteten, dass es daran lag, dass es überhaupt keine Quasiteilchen gab; Die Elektronen organisierten sich irgendwie auf eine seltsame neue Art und Weise, die jegliche Individualität verdeckte, so wie die diskrete Natur von Trauben in einer Flasche Wein verloren geht.

„Es ist eine Phase der Materie, in der ein Elektron wirklich keine Identität hat“, sagte Abbamonte. „Dennoch ist [ein seltsames Metall] ein Metall; es führt irgendwie Strom.“

Aber man vernichtet Elektronen nicht einfach. Für einige Wissenschaftler ist ein potenziell kontinuierlicher elektrischer Strom, der nicht in Elektronen aufgeteilt wird, zu radikal. Und einige seltsame Metallexperimente weiterhin mit bestimmten Vorhersagen von Landaus Theorie übereinstimmen. Die anhaltende Kontroverse veranlasste Chens Berater, Douglas Natelson der Rice University, zusammen mit seinem Kollegen Qimiao Si, um zu überlegen, wie sie die Anatomie der Ladung, die sich durch ein seltsames Metall bewegt, direkter untersuchen könnten.

„Was könnte ich messen, das mir tatsächlich sagen würde, was vor sich geht?“ fragte sich Natelson.

Die Anatomie der Elektrizität

Das Ziel des Teams war es, die Strömung in einem seltsamen Metall zu zerlegen. Kam es in elektronengroßen Ladungsbrocken vor? Kam es überhaupt in Stücken? Um das herauszufinden, ließen sie sich von einer klassischen Methode zur Messung von Fluktuationen in einer Strömung inspirieren – dem „Schrotrauschen“ – ein Phänomen, das verstanden werden kann, wenn man an die Art und Weise denkt, wie Regen während eines Regensturms fallen könnte.

Stellen Sie sich vor, Sie sitzen in Ihrem Auto und wissen aufgrund einer zuverlässigen Wettervorhersage, dass in der nächsten Stunde 5 Millimeter Regen fallen werden. Diese 5 Millimeter entsprechen der gesamten elektrischen Stromstärke. Wenn dieser Regen in eine Handvoll riesiger Tropfen aufgeteilt wird, ist die Schwankung beim Auftreffen dieser Tropfen auf Ihr Dach groß. Manchmal spritzen die Tropfen Rücken an Rücken, ein anderes Mal sind sie in Abständen verteilt. In diesem Fall ist das Schrotgeräusch hoch. Wenn jedoch dieselben 5 Millimeter Regen in einen konstanten Nebel aus winzigen Tröpfchen verteilt werden, ist die Variation der Ankunftszeit – und damit das Schussgeräusch – gering. Der Nebel gibt von Moment zu Moment nahezu die gleiche Menge Wasser ab. Auf diese Weise verrät das Schrotrauschen die Größe der Tropfen.

„Nur die Geschwindigkeit zu messen, mit der Wasser auftaucht, verrät noch nicht das ganze Bild“, sagte Natelson. „Die Messung der Schwankungen [in dieser Rate] sagt Ihnen viel mehr.“

Ebenso kann Ihnen das Hören des Knisterns des elektrischen Stroms Aufschluss über die Ladungsblöcke geben, aus denen er besteht. Diese Brocken sind normalerweise Landaus elektronenähnliche Quasiteilchen. Tatsächlich ist die Aufzeichnung des Schrotrauschens in einem normalen Metall eine übliche Methode zur Messung der Grundladung des Elektrons – 1.6 × 10^-19 Coulomb.

Um der Strömung eines seltsamen Metalls auf den Grund zu gehen, wollte das Team das Schrotgeräusch messen. Elektronisches Schrotrauschen kann jedoch überdeckt werden, wenn Elektronen durch Wellen im Atomgitter eines Metalls herumgeschoben werden. Um dieses Flackern zu vermeiden, schicken Forscher Strom durch Drähte, die so kurz sind, dass die Wellen keine Zeit haben, die Elektronen zu beeinflussen. Diese Drähte müssen nanoskopisch groß sein.

Die Gruppe entschied sich für die Arbeit mit einem besonders seltsamen Metall aus Ytterbium, Rhodium und Silizium, weil der langjährige Mitarbeiter von Natelson und Si, Silke Bühler-Paschen von der Technischen Universität Wien, hatte herausgefunden, wie man das Material in Filmen mit einer Dicke von nur Dutzenden Nanometern wachsen lassen kann. Das hat sich um eine räumliche Dimension gekümmert.

Dann lag es an Chen, herauszufinden, wie man aus diesen Filmen einen Draht mit einer Länge und Breite von nur Nanometern herausschneiden konnte.

Im Laufe von etwa einem Jahr testete Chen verschiedene Möglichkeiten, das Metall zu zerkleinern, indem er es effektiv mit Atomen sandstrahlte. Aber in einem Versuch nach dem anderen stellte er fest, dass die resultierenden Nanodrähte Schäden im atomaren Maßstab erlitten, die den charakteristischen linearen Widerstand des seltsamen Metalls zerstörten. Nach Dutzenden von Versuchen gelangte er zu einem Verfahren, das funktionierte: Er plattierte das Metall mit Chrom, sprengte mit einem Argongasstrom alles bis auf eine dünne Linie des chromgeschützten seltsamen Metalls weg und entfernte dann das Chrom mit einem Bad Salzsäure.

Am Ende fertigte Chen, der im Frühjahr erfolgreich seinen Doktortitel erlangte und seitdem im Finanzwesen arbeitet, eine Handvoll nahezu makelloser Nanodrähte. Jedes war etwa 600 Nanometer lang und 200 Nanometer breit – etwa 50-mal schmaler als ein rotes Blutkörperchen.

Nachdem sie sie auf eiskalte Temperaturen im einstelligen Kelvin-Bereich abgekühlt hatten, ließen die Forscher elektrischen Strom durch die seltsamen Metall-Nanodrähte fließen. Außerdem leiteten sie Strom durch Nanodrähte aus normalem Gold. Der Strom im Golddraht knisterte auf die bekannte Art und Weise, wie es Ströme aus geladenen Quasiteilchen tun – wie fette Regentropfen, die auf das Autodach spritzten. Aber in dem seltsamen Metall floss der Strom lautlos durch den Nanodraht, ein Effekt, der dem fast lautlosen Zischen von Nebel ähnelte. Die einfachste Interpretation des Experiments ist, dass die Ladung in diesem seltsamen Metall nicht in elektronengroßen Brocken fließt.

„Die experimentellen Daten liefern starke Beweise dafür, dass Quasiteilchen in dem seltsamen Metall verloren gehen“, sagte Si.

Allerdings sind nicht alle Physiker völlig davon überzeugt, dass das Experiment Landaus Quasiteilchen tötet. „Das ist eine sehr kühne Behauptung“, sagte er Brad Ramshaw, ein Physiker an der Cornell University. „Sie brauchen also mutige Daten.“

Eine Einschränkung des Experiments besteht darin, dass die Gruppe nur ein Material testete. Nur weil das Schrotrauschen in Chens Mischung aus Ytterbium, Rhodium und Silizium niedrig ist, heißt das nicht, dass es auch in anderen seltsamen Metallen niedrig ist. Und eine einmalige Anomalie kann immer auf ein unzureichend verstandenes Detail dieses Materials zurückgeführt werden.

Ramshaw wies auch darauf hin, dass Metalle auf alle möglichen Arten klingen seltsame Vibrationen das könnte das Schrotrauschen in der Strömung verzerren. Chen und seine Kollegen schlossen eine Störung durch die häufigeren Vibrationen aus, aber es ist möglich, dass ihnen eine exotische Welle entgangen ist.

Dennoch findet Ramshaw das Experiment überzeugend. „Es ist für Menschen sehr motivierend, andere Dinge auszuprobieren, um zu sehen, ob sie auch ohne Elektronen vereinbar sind“, sagte er.

Wenn nicht Elektronen, was dann?

Wenn das Quasiteilchenbild weiter zerfällt, was könnte es ersetzen? Wie bewegt sich Strom um seltsame Metalle herum, wenn nicht um elektronenähnliche Ladungspakete? Es ist nicht einfach, die Situation zu beschreiben, geschweige denn, sie in präzise mathematische Begriffe zu fassen. „Welches Vokabular ist das richtige“, sagte Natelson, „wenn man nicht über Quasiteilchen spricht?“

Auf Nachfrage antworten Physiker auf diese Frage mit einem Köcher voller Metaphern für das, was entsteht, wenn einzelne Elektronen verschwinden: Sie verschmelzen zu einer verschränkten Quantensuppe; sie erstarren zu einem Gelee; Sie bilden eine schaumige Masse aus herumschwappender Ladung. Philipp Phillips von Urbana-Champaign vergleicht die Elektronen eines seltsamen Metalls mit dem Gummi in einem Reifen. Wenn Gummi aus einem Baum kommt, ordnen sich seine Moleküle in einzelnen Fäden an. Doch während des Vulkanisationsprozesses verwandeln sich diese Schnüre in ein robustes Netz. Aus der Ansammlung von Individuen entsteht eine neue Substanz. „Man bekommt etwas, das größer ist als die Summe seiner Teile“, sagte er. „Die Elektronen selbst haben keine Integrität.“

Um über vage Beschreibungen der Entstehung hinauszugehen, benötigen Physiker eine präzise mathematische Beschreibung – eine noch unentdeckte Fermi-Fluid-Theorie für seltsame Metalle. Sachdev half Anfang der 1990er Jahre bei der Entwicklung eines vereinfachten Kandidaten, des SYK-Modells. Der lineare Widerstand stimmte, aber es hatte überhaupt nichts mit echten Materialien zu tun, die aus einem echten Atomgitter bestanden. Zum einen hatte es keinen Platz; Alle Elektronen sitzen an einem einzigen Punkt, wo sie zufällig interagieren und sich mit allen anderen Elektronen verschränken.

In den letzten Jahren hat Sachdev, Aavishkar Patel des Flatiron Institute und ihre Mitarbeiter daran gearbeitet haben bringt Platz in das SYK-Modell. Sie verbreiten Elektronenwechselwirkungen über den Raum, indem sie die Auswirkungen von Fehlern im Atomgitter berücksichtigen – Stellen, an denen Atome verloren gegangen sind oder zusätzliche Atome aufgetaucht sind. Dieses Aufstäuben atomarer Unvollkommenheiten führt zu zufälligen Variationen in der Art und Weise, wie Elektronenpaare interagieren und sich verschränken. Der resultierende Teppich verschränkter Elektronen weist einen linear ansteigenden Widerstand auf – das Kennzeichen eines seltsamen Metalls. Sie haben kürzlich ihr Framework verwendet Schrotrauschen zu berechnen sowie. Die Zahlen stimmen nicht ganz mit Chens Beobachtungen überein, aber sie bilden das gleiche qualitative Muster. „Alle Trends stimmen“, sagte Sachdev.

Andere Forscher betonen, dass die theoretische Situation weiterhin ungewiss ist – es ist einigen nicht klar, ob so unterschiedliche Materialien wie Graphenschichten und Kuprat-Supraleiter alle eine hinreichend ähnliche Fehlerliste aufweisen könnten, um die gemeinsamen Eigenschaften eines seltsamen Metalls zu erzeugen Weg, den die Theorie von Sachdev und Patel erfordert. Und alternative Theorien gibt es zuhauf. Phillips beispielsweise vermutet, dass seltsame Metalle dies erfordern eine aufkommende Form des Elektromagnetismus Das beruht nicht auf ganzen Elektronen. Si und Bühler-Paschen sind mittlerweile fast 20 Jahre zusammen entwickeln und erforschen a Theorie für die Art und Weise, wie sich Quasiteilchen auflösen, wenn sich ein System an einem „Quantenkritischer Punkt„Wo zwei verschiedene quantenmechanische Zustände um die Oberhand kämpfen. Im Shot-Noise-Experiment brachten sie ihre Nanodrähte an einen solchen kritischen Punkt.

Während sich die Physiker noch nicht darüber einig sind, warum sich elektrische Ladungen in fremden Metallen scheinbar auflösen, oder ob sie sich tatsächlich auflösen, sind sie entschlossen, es herauszufinden.

„Wenn wir wirklich glauben, dass es da draußen eine ganze Kategorie von Metallen gibt, die wir nicht verstehen“, sagte Natelson, „dann ist es wichtig, diese zu verstehen.“

Anmerkung des Herausgebers: Das Flatiron Institute wird von der Simons Foundation finanziert, die auch dieses redaktionell unabhängige Magazin finanziert. Weder das Flatiron Institute noch die Simons Foundation haben Einfluss auf unsere Berichterstattung. Weitere Informationen verfügbar hier.

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