Meet Strange Metals: جایی که برق ممکن است بدون الکترون جریان یابد | مجله کوانتا

پس از یک سال آزمون و خطا، لیانگ چن موفق شد یک سیم فلزی را در یک رشته میکروسکوپی به عرض نصف یک سیم کوچک کند. E.coli باکتری - آنقدر نازک است که اجازه عبور جریان الکتریکی را بدهد. چن امیدوار بود که چکه‌های این جریان می‌تواند به حل یک معمای دائمی در مورد چگونگی حرکت بار در طبقه‌ای گیج‌کننده از مواد معروف به فلزات عجیب کمک کند.

چن که در آن زمان دانشجوی فارغ التحصیل بود و همکارانش در دانشگاه رایس جریانی را که در رشته فلزی نازک اتم هایشان می گذشت اندازه گیری کردند. و دریافتند که روان و یکنواخت جریان دارد. در واقع آنقدر یکنواخت که تصور استاندارد فیزیکدانان از الکتریسیته در فلزات را به چالش کشید.

به طور متعارف، جریان الکتریکی از حرکت جمعی الکترون ها ناشی می شود که هر کدام یک تکه غیر قابل تقسیم بار الکتریکی را حمل می کنند. اما ثابت ماندن جریان چن نشان داد که اصلاً از واحد ساخته نشده است. مانند یافتن مایعی بود که به نوعی فاقد مولکول های قابل تشخیص فردی بود.

اگرچه ممکن است عجیب به نظر برسد، اما این دقیقاً همان چیزی است که برخی فیزیکدانان از فلزی که گروه آزمایش کردند، انتظار داشتند، فلزی که همراه با خویشاوندان غیرمعمولش از دهه 1980 فیزیکدانان را فریفته و گیج کرده است. گفت: "این کار بسیار زیبایی است." سوبیر ساچدف، یک فیزیکدان نظری در دانشگاه هاروارد که در فلزات عجیب تخصص دارد.

مشاهده، هفته گذشته گزارش داد در مجله علمیکی از واضح‌ترین نشانه‌هایی است که نشان می‌دهد هر چیزی که جریانی را از این فلزات غیرعادی عبور می‌دهد، شبیه الکترون نیست. آزمایش جدید این ظن را تقویت می کند که یک پدیده کوانتومی جدید در فلزات عجیب به وجود آمده است. همچنین برای فیزیکدانان نظری که تلاش می کنند بفهمند که چه چیزی ممکن است باشد، لحن جدیدی فراهم می کند. 

گفت: "فلزات عجیب و غریب، هیچ کس هیچ ایده زمینی ندارد که آنها از کجا آمده اند." پیتر آبامونته، فیزیکدان دانشگاه ایلینویز، اوربانا-شامپین. قبلاً به عنوان یک ناراحتی در نظر گرفته می‌شد، اما اکنون متوجه می‌شویم که واقعاً مرحله متفاوتی از ماده است که در این چیزها زندگی می‌کند.»

یک آچار کوپرات

اولین چالش برای درک متعارف فلزات در سال 1986 رخ داد، زمانی که گئورگ بدنورز و کارل الکس مولر با کشف ابررساناهای با دمای بالا - موادی که جریان الکتریکی را حتی در دماهای نسبتاً گرم کاملاً حمل می کنند - دنیای فیزیک را تکان دادند. فلزات آشنا مانند قلع و جیوه تنها زمانی ابررسانا می شوند که تا چند درجه صفر مطلق سرد شوند. Bednorz و Müller مقاومت الکتریکی را در یک ماده مبتنی بر مس ("کاپرات") اندازه‌گیری کردند و دیدند که در 35 کلوین نسبتاً ملایم ناپدید شد. (بدنورز و مولر برای کشف موفقیت آمیز خود، فقط یک سال بعد جایزه نوبل را به جیب زدند.)

فیزیکدانان به زودی متوجه شدند که ابررسانایی در دمای بالا تنها آغاز رفتار مرموز کوپرات ها است.

وقتی که ابررسانایی را متوقف کردند و شروع به مقاومت کردند، کوپرات‌ها واقعاً عجیب شدند. با گرم شدن تمام فلزات، مقاومت افزایش می یابد. دماهای گرمتر به این معنی است که اتم‌ها و الکترون‌ها بیشتر تکان می‌خورند و با عبور الکترون‌ها از یک ماده، برخوردهای القاکننده مقاومت بیشتری ایجاد می‌کنند. در فلزات معمولی، مانند نیکل، مقاومت در دماهای پایین به طور درجه دوم افزایش می یابد - ابتدا به آرامی و سپس سریعتر و سریعتر. اما در کوپرات ها، به صورت خطی افزایش یافت: هر درجه از گرم شدن، همان افزایش مقاومت را به همراه داشت - الگوی عجیبی که بیش از صدها درجه ادامه یافت و از نظر عجیب بودن، توانایی ابررسانایی ماده را تحت الشعاع قرار داد. کپرات ها عجیب ترین فلزاتی بودند که محققان تا به حال دیده بودند.

گفت: «ابررسانایی یک ماوس است آندری چوبوکوف، فیزیکدان نظری در دانشگاه مینه سوتا. "فیل... این رفتار فلزی عجیب است."

افزایش خطی مقاومت، توضیح مشهوری در مورد چگونگی حرکت بار الکتریکی در فلزات را تهدید کرد. نظریه "مایع فرمی" لو لاندو که در سال 1956 ارائه شد، الکترون ها را در مرکز همه قرار داد. این نظریه بر اساس نظریه‌های قبلی استوار بود که برای سادگی، فرض می‌کردند که الکترون‌ها حامل جریان الکتریکی هستند و الکترون‌ها از میان فلزی مانند گاز حرکت می‌کنند. آنها آزادانه بین اتم ها بدون تعامل با یکدیگر پرواز می کنند.

لاندو راهی برای مدیریت این واقعیت مهم اما پیچیده که الکترون ها برهم کنش دارند اضافه کرد. آنها دارای بار منفی هستند، به این معنی که آنها دائما یکدیگر را دفع می کنند. با در نظر گرفتن این برهمکنش بین ذرات، گاز الکترون را به چیزی شبیه اقیانوس تبدیل کرد - اکنون، همانطور که یک الکترون در سیال الکترون ها حرکت می کند، الکترون های مجاور را مختل می کند. از طریق یک سری برهمکنش های پیچیده که شامل دافعه متقابل است، این الکترون ها که اکنون به آرامی برهم کنش دارند، در انبوهی به حرکت در می آیند - در توده هایی که به عنوان شبه ذرات شناخته می شوند.

معجزه نظریه مایع فرمی این بود که هر شبه ذره تقریباً دقیقاً به گونه ای رفتار می کرد که گویی یک الکترون منفرد و بنیادی است. با این حال، یک تفاوت عمده این بود که این حباب‌ها کندتر یا زیرک‌تر (بسته به ماده) نسبت به یک الکترون خالی حرکت می‌کردند و عملاً سنگین‌تر یا سبک‌تر عمل می‌کردند. اکنون، فقط با تنظیم عبارات جرم در معادلات خود، فیزیکدانان می‌توانند به تلقی جریان به‌عنوان حرکت الکترون‌ها ادامه دهند، تنها با یک ستاره که مشخص می‌کند هر الکترون واقعاً یک توده شبه ذره است.

یک پیروزی بزرگ چارچوب لاندو این بود که در فلزات معمولی، روش پیچیده ای را که در آن مقاومت به طور درجه دوم با دما افزایش می یابد، نشان داد. شبه ذرات الکترون مانند روش استاندارد درک فلزات شدند. ساچدف گفت: «این در هر کتاب درسی وجود دارد.

اما در کوپرات ها، نظریه لاندو به طرز چشمگیری شکست خورد. مقاومت در یک خط بی نقص به جای منحنی درجه دوم استاندارد افزایش یافت. فیزیکدانان مدتهاست که این خط را به عنوان نشانه ای از اینکه کوپرات ها خانه یک پدیده فیزیکی جدید هستند تعبیر کرده اند.

گفت: "شما باید باور داشته باشید که طبیعت یا به شما سرنخ می دهد یا طبیعت فوق العاده بی رحمانه است." گریگوری بوبینگرفیزیکدانی در دانشگاه ایالتی فلوریدا که بیشتر دوران حرفه ای خود را صرف مطالعه پاسخ خطی کوپرات ها کرده است. قرار دادن چنین امضای بسیار ساده و فریبنده ای و اینکه آن را از نظر فیزیکی مهم نباشد، تحمل آن بسیار زیاد است.»

و کوپرات ها تازه شروع کار بودند. محققان از آن زمان کشف کرده اند که یک میزبانی از مواد متفاوت با همان مقاومت خطی فریبنده، از جمله "نمک های بچگارد" آلی و ورقه های ناهمتراز گرافن. با تکثیر این «فلزات عجیب و غریب»، دانشمندان تعجب کردند که چرا نظریه سیال فرمی لاندو به نظر می رسد در این همه مواد مختلف شکسته می شود. برخی به این گمان رسیدند که به این دلیل است که اصلاً شبه ذرات وجود ندارد. الکترون‌ها به نوعی خود را به شیوه‌ای جدید و عجیب سازمان‌دهی می‌کردند که هر فردیت را پنهان می‌کرد، همان‌طور که طبیعت گسسته انگور در یک بطری شراب گم می‌شود.

آبامونتی گفت: «این مرحله ای از ماده است که در آن یک الکترون واقعاً هویت ندارد. با این وجود، [یک فلز عجیب] یک فلز است. به نوعی جریان را حمل می کند.»

اما به سادگی الکترون ها را از بین نمی برد. برای برخی از دانشمندان، یک جریان الکتریکی بالقوه پیوسته - جریانی که به الکترون ها تقسیم نمی شود - بسیار رادیکال است. و چند آزمایش عجیب فلزی همچنان با پیش‌بینی‌های خاص نظریه لاندو مطابقت دارد. مناقشه ادامه دار باعث شد مشاور پایان نامه چن، داگلاس ناتلسون دانشگاه رایس به همراه همکارش کیمیائو سی، تا در نظر بگیرند که چگونه آنها می توانند به طور مستقیم تری آناتومی بار در حال حرکت در یک فلز عجیب را بررسی کنند.

"چه چیزی می توانم اندازه گیری کنم که در واقع به من بگوید که چه اتفاقی دارد می افتد؟" ناتلسون تعجب کرد.

آناتومی الکتریسیته

هدف این تیم تشریح جریان در یک فلز عجیب بود. آیا در قطعات باری به اندازه الکترون آمده است؟ اصلا تکه تکه شد؟ برای کشف این موضوع، آنها از یک روش کلاسیک برای اندازه‌گیری نوسانات در جریان الهام گرفتند - "صدای شلیک" - پدیده‌ای که اگر به راه‌هایی که ممکن است در طول طوفان باران می‌بارد فکر کنیم، قابل درک است.

تصور کنید در ماشین خود نشسته اید و از یک پیش بینی هواشناسی معتبر می دانید که در یک ساعت آینده 5 میلی متر باران خواهد بارید. آن 5 میلی متر مانند کل جریان الکتریکی است. اگر آن باران به تعداد انگشت شماری از قطرات غول پیکر تقسیم شود، تغییرات زمانی که آن قطرات به سقف شما برخورد می کند زیاد خواهد بود. گاهی اوقات قطرات پشت به پشت پاشیده می شوند و در زمان های دیگر از هم فاصله می گیرند. در این حالت صدای شلیک زیاد است. اما اگر همان 5 میلی متر باران در مه ثابتی از قطرات ریز پخش شود، تغییر در زمان رسیدن - و در نتیجه صدای شلیک - کم خواهد بود. مه به آرامی تقریباً همان مقدار آب را لحظه به لحظه تحویل می دهد. به این ترتیب نویز شات اندازه قطره ها را آشکار می کند.

ناتلسون گفت: «فقط اندازه‌گیری سرعت ظاهر شدن آب، تصویر کامل را به شما نشان نمی‌دهد. "اندازه گیری نوسانات [در آن نرخ] چیزهای بیشتری را به شما می گوید."

به طور مشابه، گوش دادن به صدای تروق در جریان الکتریکی می تواند به شما در مورد تکه های شارژی که آن را تشکیل می دهد، بگوید. این تکه ها معمولاً شبه ذرات الکترون مانند لاندو هستند. در واقع، ثبت نویز شات در یک فلز معمولی یک روش معمول برای اندازه گیری بار اصلی الکترون - 1.6 × 10 است.^-19 کولن

برای رسیدن به قلب جریان یک فلز عجیب، تیم می خواست صدای شات را اندازه گیری کند. اما نویز شات الکترونیکی را می‌توان در صورتی که الکترون‌ها توسط امواج در شبکه اتمی فلز به اطراف هل داده شوند، پنهان کرد. برای جلوگیری از این فاز، محققان جریان را به قدری کوتاه از طریق سیم‌ها ارسال می‌کنند که موج‌ها زمانی برای تأثیرگذاری بر الکترون‌ها ندارند. این سیم ها باید از نظر مقیاس نانوسکوپی باشند.

این گروه انتخاب کردند که با فلز عجیب و غریبی ساخته شده از ایتربیوم، رودیوم و سیلیکون کار کنند، زیرا همکار قدیمی ناتلسون و سی، سیلک بوهلر-پاشن از دانشگاه فناوری وین، چگونگی رشد مواد را در فیلم‌هایی با ضخامت ده‌ها نانومتر کار کرده بود. که از یک بعد فضایی مراقبت می کرد.

سپس به دست چن افتاد تا چگونگی برداشتن این فیلم‌ها و تراشیدن سیمی با طول و عرض تنها نانومتر را بیابد.

در طول حدود یک سال، چن روش‌های مختلفی را برای خرد کردن فلز با سمباده‌کردن مؤثر آن با اتم‌ها آزمایش کرد. اما در آزمایش پس از آزمایش، او متوجه شد که نانوسیم‌های حاصل از آسیب‌هایی در مقیاس اتمی متحمل شدند که مقاومت خطی مشخصه فلز عجیب را از بین برد. پس از ده ها تلاش، او روی فرآیندی قرار گرفت که کارساز بود: او فلز را با کروم آبکاری کرد، از جریانی از گاز آرگون استفاده کرد تا همه فلزات عجیب و غریب محافظت شده با کروم را به جز یک خط نازک از بین ببرد، سپس با حمام کروم را از بین برد. اسید هیدروکلریک

در پایان، چن، که با موفقیت دکترای خود را در بهار گرفت و از آن زمان برای کار در امور مالی رفته است، تعداد انگشت شماری نانوسیم تقریباً بی عیب و نقص ساخت. طول هر کدام تقریباً 600 نانومتر و عرض آن 200 نانومتر بود که حدود 50 برابر باریکتر از یک گلبول قرمز خون بود.

محققان پس از خنک کردن آنها تا دمای سرد و تک رقمی کلوین، جریان الکتریکی را از نانوسیم های فلزی عجیب عبور دادند. آنها همچنین جریان را از نانوسیم های ساخته شده از طلای معمولی عبور دادند. جریان در سیم طلا به روشی آشنا که جریان‌های ساخته شده از شبه ذرات باردار انجام می‌دهند – مانند قطرات چربی که روی سقف ماشین می‌پاشند، می‌ترکد. اما در فلز عجیب، جریان به آرامی از نانوسیم عبور کرد، اثری شبیه به صدای خش خش تقریباً بی صدا مه. ساده ترین تفسیر آزمایش این است که بار در این فلز عجیب در تکه هایی به اندازه الکترون جریان نمی یابد.

سی گفت: «داده‌های تجربی شواهد محکمی ارائه می‌دهند که شبه ذرات در این فلز عجیب گم شده‌اند.

با این حال، همه فیزیکدانان کاملاً متقاعد نشده اند که این آزمایش شبه ذرات لاندو را می کشد. گفت: «این یک ادعای بسیار جسورانه است برد رامشاو، فیزیکدان دانشگاه کرنل. بنابراین شما به داده های پررنگ نیاز دارید.

یکی از محدودیت های آزمایش این است که گروه فقط یک ماده را آزمایش کردند. فقط به این دلیل که نویز شات در ترکیب ایتربیوم، رودیوم و سیلیکون چن کم است، این تضمین نمی کند که در سایر فلزات عجیب و غریب کم باشد. و یک ناهنجاری یکباره را همیشه می توان به برخی از جزئیات نادرست در مورد آن مطالب نسبت داد.

رامشاو همچنین اشاره کرد که فلزات با همه نوع حلقه حلقه می زنند ارتعاشات عجیب که ممکن است نویز شات را در جریان تغییر دهد. چن و همکارانش تداخل ارتعاشات رایج تر را رد کردند، اما ممکن است که برخی از امواج عجیب و غریب از توجه آنها طفره رفته باشد.

با این وجود، رامشاو این آزمایش را قانع‌کننده می‌بیند. او گفت: "برای مردم این انگیزه قوی است که سعی کنند کارهای دیگری انجام دهند تا ببینند آیا آنها نیز با هیچ الکترونی سازگار نیستند."

اگر الکترون نیست، پس چی؟

اگر تصویر شبه ذره به فرو ریختن ادامه دهد، چه چیزی می تواند جایگزین آن شود؟ جریان چگونه در اطراف فلزات عجیب و غریب حرکت می کند، اگر در بسته های باری الکترون مانند نباشد؟ توصیف این وضعیت آسان نیست، چه رسد به بیان دقیق ریاضی. ناتلسون گفت: «اگر قرار نیست در مورد شبه ذرات صحبت کنید، واژگان مناسب برای استفاده چیست؟»

هنگامی که فشار داده می شود، فیزیکدانان به این سوال با استعاره ای پاسخ می دهند که چه چیزی هنگام ناپدید شدن تک تک الکترون ها ظاهر می شود: آنها در یک سوپ کوانتومی درهم آمیخته می شوند. آنها به یک ژله تبدیل می شوند. آنها یک آشغال کف آلود از بار را تشکیل می دهند که به اطراف می چرخد. فیلیپ فیلیپس از Urbana-Champaign الکترون های یک فلز عجیب را به لاستیک یک لاستیک تشبیه می کند. وقتی لاستیک از درخت بیرون می‌آید، مولکول‌های آن به‌صورت رشته‌های منفرد ردیف می‌شوند. اما در طی فرآیند ولکانیزاسیون، این رشته ها به یک شبکه ناهموار تبدیل می شوند. ماده جدیدی از مجموعه افراد پدیدار می شود. او گفت: "شما چیزی دریافت می کنید که بزرگتر از مجموع اجزای آن است." "الکترونها خود هیچ یکپارچگی ندارند."

برای فراتر رفتن از توصیفات مبهم ظهور، فیزیکدانان به یک توصیف دقیق ریاضی نیاز دارند - یک نظریه سیال فرمی هنوز کشف نشده برای فلزات عجیب و غریب. ساچدف در اوایل دهه 1990 به توسعه یک نامزد ساده، یعنی مدل SYK کمک کرد. مقاومت خطی را به درستی دریافت کرد، اما اصلاً ربطی به مواد واقعی ساخته شده از یک شبکه واقعی اتم نداشت. برای یک چیز، فضای خالی نداشت. همه الکترون ها در یک نقطه قرار می گیرند که به طور تصادفی برهم کنش می کنند و با تمام الکترون های دیگر درهم می مانند.

در چند سال گذشته، ساچدف، آویشکار پاتل موسسه Flatiron و همکارانشان روی آن کار کرده اند آوردن فضا به مدل SYK. آنها با در نظر گرفتن اثرات نقص در شبکه اتمی - نقاطی که اتم ها گم شده اند یا اتم های اضافی ظاهر شده اند، برهمکنش های الکترونی را در سراسر فضا پخش می کنند. این غبارآلود شدن عیوب اتمی باعث تغییرات تصادفی در نحوه تعامل و درهم تنیدگی جفت الکترون ها می شود. ملیله به دست آمده از الکترون‌های درهم‌تنیده مقاومتی خطی در حال افزایش دارد - مشخصه فلزی عجیب. آنها اخیرا از چارچوب خود استفاده کردند برای محاسبه نویز شات همچنین. اعداد کاملاً با مشاهدات چن مطابقت ندارند، اما الگوی کیفی یکسانی را تشکیل می دهند. ساچدف گفت: «همه روندها درست است.

سایر محققان تاکید می‌کنند که وضعیت نظری سیال باقی می‌ماند – برای برخی مشخص نیست که آیا موادی مانند صفحات گرافن و ابررساناهای کپرات از یکدیگر متمایز هستند یا خیر که همگی می‌توانند دارای نقص‌های مشابهی باشند تا خواص مشترک عجیب و غریب فلز را در روش مورد نیاز نظریه ساچدف و پاتل. و نظریه های جایگزین فراوانند. به عنوان مثال، فیلیپس مشکوک است که فلزات عجیب نیاز دارند شکل نوظهور الکترومغناطیس که به الکترون های کامل متکی نیست. در همین حال، سی و بولر-پاشن تقریبا 20 سال را سپری کرده اند در حال توسعه و کاوش a نظریه برای چگونگی حل شدن شبه ذرات هنگامی که یک سیستم در یک "نقطه بحرانی کوانتومی"، جایی که دو حالت مکانیکی کوانتومی مختلف برای دست بالا مبارزه می کنند. در آزمایش نویز شات، آنها نانوسیم های خود را به چنین نقطه بحرانی رساندند.

در حالی که فیزیکدانان هنوز در مورد اینکه چرا بارهای الکتریکی به نظر می رسد در داخل فلزات عجیب حل می شوند، یا حتی اگر واقعا حل شوند، توافق ندارند، آنها مصمم به کشف کردن هستند.

ناتلسون گفت: «اگر واقعاً فکر کنیم دسته‌ای از فلزات وجود دارد که نمی‌فهمیم، درک آن‌ها مهم است.»

یادداشت سردبیر: مؤسسه Flatiron توسط بنیاد سیمونز تأمین مالی می شود که این مجله مستقل را نیز تأمین می کند. نه موسسه Flatiron و نه بنیاد سیمونز هیچ تاثیری بر پوشش ما ندارند. اطلاعات بیشتر در دسترس است اینجا کلیک نمایید.

کوانتوم در حال انجام یک سری نظرسنجی برای ارائه خدمات بهتر به مخاطبانمان است. ما را بگیر نظرسنجی فیزیک خوان و شما برای برنده شدن رایگان وارد خواهید شد کوانتوم کالا