Møt merkelige metaller: Hvor elektrisitet kan flyte uten elektroner | Quanta Magazine

Etter et år med prøving og feiling, hadde Liyang Chen klart å skjære ned en metalltråd til en mikroskopisk tråd som var halvparten av bredden av en E.coli bakterie - akkurat tynn nok til å tillate en drypp av elektrisk strøm å passere gjennom. Drypene av denne strømmen kan, håpet Chen, hjelpe til med å avgjøre et vedvarende mysterium om hvordan ladning beveger seg gjennom en forvirrende klasse av materialer kjent som rare metaller.

Chen, den gang en doktorgradsstudent, og hans samarbeidspartnere ved Rice University målte strømmen som strømmet gjennom deres atomtynne metalltråd. Og de fant ut at det fløt jevnt og jevnt. Faktisk så jevnt at det trosset fysikeres standardoppfatning av elektrisitet i metaller.

Kanonisk sett er elektrisk strøm et resultat av den kollektive bevegelsen av elektroner, som hver bærer en udelelig del av elektrisk ladning. Men den døde stabiliteten til Chens strøm antydet at den ikke var laget av enheter i det hele tatt. Det var som å finne en væske som på en eller annen måte manglet individuelt gjenkjennelige molekyler.

Selv om det kan høres merkelig ut, er det akkurat det noen fysikere forventet av metallet gruppen testet, som sammen med sine uvanlige slektninger har forvirret og forvirret fysikere siden 1980-tallet. "Det er et veldig vakkert stykke arbeid," sa Subir Sachdev, en teoretisk fysiker ved Harvard University som spesialiserer seg på merkelige metaller.

Observasjonen, rapportert i forrige uke i tidsskriftet Vitenskap, er en av de mest enkle indikasjonene ennå på at det som fører strøm gjennom disse uvanlige metallene ikke ser ut som elektroner. Det nye eksperimentet styrker mistanken om at det oppstår et nytt kvantefenomen innenfor merkelige metaller. Det gir også nytt gryn for teoretiske fysikere som prøver å forstå hva det kan være. 

"Rare metaller, ingen har noen jordisk anelse om hvor de kommer fra," sa Peter Abbamonte, en fysiker ved University of Illinois, Urbana-Champaign. "Det pleide å bli ansett som en ulempe, men nå innser vi at det virkelig er en annen fase av materie som lever i disse tingene."

En Cuprate-nøkkel

Den første utfordringen til den konvensjonelle forståelsen av metaller kom i 1986, da Georg Bednorz og Karl Alex Müller rystet fysikkverdenen med sin oppdagelse av høytemperatursuperledere - materialer som perfekt bærer en elektrisk strøm selv ved relativt varme temperaturer. Kjente metaller som tinn og kvikksølv blir superledere bare når de kjøles ned til noen få grader av absolutt null. Bednorz og Müller målte den elektriske motstanden i et kobberbasert ("kuprat") materiale og så at den forsvant med relativt milde 35 kelvin. (For sin banebrytende oppdagelse fikk Bednorz og Müller en Nobelpris i lommene bare et år senere.)

Fysikere innså snart at superledning ved høy temperatur bare var begynnelsen på den mystiske oppførselen til cuprates.

Cuprates ble veldig rare da de sluttet å superledende og begynte å gjøre motstand. Ettersom alle metaller varmes opp, øker motstanden. Varmere temperaturer betyr at atomer og elektroner beveger seg mer, og skaper flere motstandsfremkallende kollisjoner når elektroner skyver strøm gjennom et materiale. I vanlige metaller, som nikkel, øker motstanden kvadratisk ved lave temperaturer - først sakte og deretter raskere og raskere. Men i cuprates steg det lineært: Hver grad av oppvarming brakte samme økning i motstand - et bisarrt mønster som fortsatte over hundrevis av grader og, når det gjelder merkelighet, overskygget materialets superledende evne. Cupratene var de merkeligste metallene forskerne noen gang hadde sett.

"Superledning er en mus," sa Andrey Chubukov, en teoretisk fysiker ved University of Minnesota. "Elefanten ... er denne merkelige metalloppførselen."

Den lineære økningen i motstand truet en berømt forklaring på hvordan elektrisk ladning beveger seg gjennom metaller. Foreslo i 1956, plasserte Lev Landaus "Fermi væske"-teori elektroner i sentrum av det hele. Den bygde på tidligere teorier som for enkelhets skyld antok at elektroner bærer elektrisk strøm, og at elektronene beveger seg gjennom et metall som en gass; de flyter fritt mellom atomer uten å interagere med hverandre.

Landau la til en måte å håndtere det avgjørende, men kompliserte faktum at elektroner samhandler. De er negativt ladet, noe som betyr at de hele tiden frastøter hverandre. Tatt i betraktning denne interaksjonen mellom partiklene forvandlet elektrongassen til noe av et hav - nå, mens ett elektron beveget seg gjennom væsken av elektroner, forstyrret det de nærliggende elektronene. Gjennom en komplisert serie av interaksjoner som involverer gjensidig frastøtning, endte disse nå forsiktig interagerende elektronene opp med å reise i folkemengder - i klumper kjent som kvasipartikler.

Miraklet med Fermi væsketeori var at hver kvasipartikkel oppførte seg nesten nøyaktig som om den var et enkelt, fundamentalt elektron. En stor forskjell var imidlertid at disse klattene beveget seg tregere eller mer kvikk (avhengig av materialet) enn et bart elektron, og virket effektivt tyngre eller lettere. Nå, bare ved å justere masseleddene i ligningene deres, kunne fysikere fortsette å behandle strøm som bevegelse av elektroner, bare med en stjerne som spesifiserer at hvert elektron egentlig var en kvasipartikkelklump.

En stor triumf for Landaus rammeverk var at den i normale metaller klarte den kompliserte måten motstanden øker kvadratisk med temperaturen. Elektronlignende kvasipartikler ble standardmåten for å forstå metaller. "Det er i hver lærebok," sa Sachdev.

Men i cuprates sviktet Landaus teori dramatisk. Motstanden steg i en ulastelig linje i stedet for standard kvadratisk kurve. Fysikere har lenge tolket denne linjen som et tegn på at cuprates er hjemsted for et nytt fysisk fenomen.

"Du må stort sett tro at naturen enten gir deg en pekepinn eller så er naturen utrolig grusom," sa Gregory Boebinger, en fysiker ved Florida State University som har brukt mye av sin karriere på å studere cupratenes lineære respons. "Å sette opp en så forferdelig enkel og forlokkende signatur og å ha den ikke være fysisk viktig ville bare vært for mye å bære."

Og cuprates var bare begynnelsen. Forskere har siden oppdaget en en rekke forskjellige materialer med den samme forlokkende lineære motstanden, inkludert organiske "Bechgaard-salter" og feiljusterte ark med grafen. Ettersom disse "merkelige metallene" spredte seg, lurte forskerne på hvorfor Landaus Fermi-væsketeori så ut til å brytes ned i alle disse forskjellige materialene. Noen fikk mistanke om at det var fordi det ikke fantes kvasipartikler i det hele tatt; elektronene organiserte seg på en eller annen måte på en merkelig ny måte som tilslørte enhver individualitet, på samme måte som den diskrete naturen til druer blir borte i en flaske vin.

"Det er en fase av materie der et elektron egentlig ikke har noen identitet," sa Abbamonte. «Likevel er [et merkelig metall] et metall; det bærer på en eller annen måte strøm."

Men man avskaffer ikke bare elektroner. For noen forskere er en potensielt kontinuerlig elektrisk strøm - en som ikke er delt opp i elektroner - for radikal. Og noen merkelige metalleksperimenter fortsette å matche visse spådommer av Landaus teori. Den vedvarende kontroversen fikk Chens avhandlingsrådgiver, Douglas Natelson fra Rice University, sammen med sin kollega Qimiao Si, for å vurdere hvordan de mer direkte kan granske anatomien til ladningen som beveger seg gjennom et merkelig metall.

"Hva kan jeg måle som faktisk vil fortelle meg hva som skjer?" lurte Natelson.

Elektrisitetens anatomi

Teamets mål var å dissekere strømmen i et merkelig metall. Kom den i ladningsbiter på elektronstørrelse? Kom det i biter i det hele tatt? For å finne det ut hentet de inspirasjon fra en klassisk måte å måle fluktuasjoner i en strøm på - "skuddstøyen" - et fenomen som kan forstås hvis vi tenker på måtene regn kan falle under et regnvær.

Tenk deg at du sitter i bilen din, og du vet fra en pålitelig værmelding at det vil falle 5 millimeter regn i løpet av den neste timen. Disse 5 millimeterne er som den totale elektriske strømmen. Hvis det regnet pakkes inn i en håndfull gigantiske dråper, vil variasjonen i når disse dråpene treffer taket ditt være høy; noen ganger vil dråper sprute rygg mot rygg, og andre ganger vil de bli spredt utover. I dette tilfellet er skuddstøyen høy. Men hvis de samme 5 millimeterne med regn spres til en konstant tåke av bittesmå dråper, vil variasjonen i ankomsttid - og dermed skuddstøyen - være lav. Tåken vil jevnt levere nesten samme mengde vann fra øyeblikk til øyeblikk. På denne måten avslører skuddstøy størrelsen på dråpene.

"Bare å måle hastigheten med hvilken vannet dukker opp, forteller deg ikke hele bildet," sa Natelson. "Å måle svingningene [i den raten] forteller deg mye mer."

På samme måte kan det å lytte til knitringen i elektrisk strøm fortelle deg om ladningsbitene som utgjør den. Disse bitene er normalt Landaus elektronlignende kvasipartikler. Faktisk er det å registrere skuddstøyen i et normalt metall en vanlig måte å måle den fundamentale ladningen til elektronet - 1.6 × 10^-19 coulombs.

For å komme til hjertet av en merkelig metallstrøm, ønsket teamet å måle skuddstøy. Men elektronisk skuddstøy kan skjules hvis elektroner skyves rundt av krusninger i et metalls atomgitter. For å unngå den uklarheten sender forskere strøm gjennom ledninger så korte at krusningene ikke har tid til å påvirke elektronene. Disse ledningene må være nanoskopiske i skala.

Gruppen valgte å jobbe med et spesielt merkelig metall laget av ytterbium, rhodium og silisium fordi Natelson og Sis mangeårige samarbeidspartner, Silke Bühler-Paschen fra det teknologiske universitetet i Wien, hadde funnet ut hvordan man kunne dyrke materialet i filmer som bare var dusinvis av nanometer tykke. Det tok seg av én romlig dimensjon.

Det falt deretter på Chen å finne ut hvordan han skulle ta disse filmene og skjære ut en ledning som kun målte nanometer i lengde og bredde.

I løpet av omtrent et år testet Chen forskjellige måter å skjære ned metallet ved å sandblåse det effektivt med atomer. Men i rettssak etter rettssak fant han ut at de resulterende nanotrådene fikk atomskader som ødela det merkelige metallets karakteristiske lineære motstand. Etter dusinvis av forsøk landet han på en prosess som fungerte: Han belagt metallet med krom, brukte en strøm av argongass for å sprenge bort alt unntatt en tynn linje av det krombeskyttede merkelige metallet, og strippet deretter av kromet med et bad av saltsyre.

Til slutt laget Chen, som med suksess tok doktorgraden sin i vår og siden har gått til jobb med finans, en håndfull nesten feilfrie nanotråder. Hver var omtrent 600 nanometer lang og 200 nanometer bred - omtrent 50 ganger smalere enn en rød blodcelle.

Etter å ha avkjølt dem til iskalde, ensifrede Kelvin-temperaturer, kjørte forskerne elektrisk strøm gjennom de merkelige metallnanotrådene. De kjørte også strøm gjennom nanotråder laget av vanlig gull. Strømmen i gulltråden sprakk på den velkjente måten som strømmer laget av ladede kvasipartikler gjør - som fete regndråper som sprutet på biltaket. Men i det merkelige metallet gled strømmen stille gjennom nanotråden, en effekt som ligner den nesten stille susingen av tåke. Den mest enkle tolkningen av eksperimentet er at ladningen i dette merkelige metallet ikke flyter i elektronstørrelser.

"De eksperimentelle dataene gir sterke bevis på at kvasipartikler går tapt i det merkelige metallet," sa Si.

Ikke alle fysikere er imidlertid helt overbevist om at eksperimentet dreper Landaus kvasipartikler. "Det er en veldig dristig påstand," sa Brad Ramshaw, fysiker ved Cornell University. "Så du trenger dristige data."

En begrensning ved eksperimentet er at gruppen testet kun ett materiale. Bare fordi skuddstøyen er lav i Chens ytterbium-, rhodium- og silisiumblanding, garanterer det ikke at den er lav i andre merkelige metaller. Og en engangsavvik kan alltid tilskrives en dårlig forstått detalj om det materialet.

Ramshaw påpekte også at metaller ringer med alle slags merkelige vibrasjoner som kan forvrenge skuddstøy i strømmen. Chen og kollegene hans utelukket forstyrrelser fra de mer vanlige vibrasjonene, men det er mulig at noen eksotiske krusninger unngikk deres oppmerksomhet.

Likevel finner Ramshaw eksperimentet overbevisende. "Det er sterkt motiverende for folk å prøve å gjøre andre ting for å se om de også er konsistente uten elektroner," sa han.

Hvis ikke elektroner, hva så?

Hvis kvasipartikkelbildet fortsetter å smuldre, hva kan erstatte det? Hvordan beveger strømmen seg rundt merkelige metaller hvis ikke i elektronlignende ladningspakker? Det er ikke en lett situasjon å beskrive, langt mindre satt i presise matematiske termer. "Hva er det riktige vokabularet å bruke," sa Natelson, "hvis du ikke skal snakke om kvasipartikler?"

Når den trykkes, svarer fysikere på dette spørsmålet med et skjelv av metaforer for hva som vises når individuelle elektroner forsvinner: De smelter sammen til en sammenfiltret kvantesuppe; de stivner til en gelé; de danner et skummende rot av ladninger som skvulper rundt. Philip Phillips av Urbana-Champaign sammenligner elektronene til et merkelig metall med gummien i et dekk. Når gummi kommer ut av et tre, stiller molekylene dens opp i individuelle strenger. Men under vulkaniseringsprosessen forvandles disse strengene til et robust nett. Et nytt stoff dukker opp fra samlingen av individer. "Du får noe som er større enn summen av delene," sa han. "Elektronene i seg selv har ingen integritet."

For å gå utover vage beskrivelser av fremvekst, trenger fysikere en presis matematisk beskrivelse - en ennå uoppdaget Fermi-væsketeori for merkelige metaller. Sachdev var med på å utvikle en forenklet kandidat, SYK-modellen, på begynnelsen av 1990-tallet. Den fikk den lineære motstanden riktig, men den hadde ingenting i det hele tatt å gjøre med ekte materialer laget av et ekte rutenett av atomer. For det første hadde den ikke plass; alle elektroner sitter på et enkelt punkt der de samhandler tilfeldig og blir viklet inn med alle andre elektroner.

I løpet av de siste par årene har Sachdev, Aavishkar Patel fra Flatiron Institute, og deres samarbeidspartnere har jobbet med bringe plass inn i SYK-modellen. De sprer elektroninteraksjoner over hele rommet ved å vurdere effekten av feil i atomgitteret - flekker der atomer har forsvunnet eller ekstra atomer har dukket opp. Denne støvingen av atomufullkommenhet forårsaker tilfeldige variasjoner i hvordan elektronpar samhandler og blir viklet inn. Det resulterende teppet av sammenfiltrede elektroner har en lineært stigende motstand - kjennetegnet til et merkelig metall. De brukte nylig rammeverket sitt å beregne skuddstøy også. Tallene stemmer ikke helt med Chens observasjoner, men de danner det samme kvalitative mønsteret. "Alle trendene er riktige," sa Sachdev.

Andre forskere understreker at den teoretiske situasjonen forblir flytende - det er ikke klart for noen om materialer som er så forskjellige fra hverandre som plater av grafen og cuprat-superledere alle kan dele en lignende nok liste med feil til å produsere de delte merkelige metallegenskapene i måte som kreves av Sachdev og Patels teori. Og alternative teorier florerer. Phillips, for eksempel, mistenker at rare metaller krever en ny form for elektromagnetisme som ikke er avhengig av hele elektroner. Si og Bühler-Paschen har i mellomtiden brukt nesten 20 år utvikle og utforske a teori for hvordan kvasipartikler løses opp når et system sitter ved en "kvantekritisk punkt,” der to forskjellige kvantemekaniske tilstander kjemper om overtaket. I skudd-støy-eksperimentet brakte de nanotrådene sine til akkurat et så kritisk punkt.

Mens fysikere ennå ikke er enige om hvorfor elektriske ladninger ser ut til å oppløses inne i rare metaller, eller selv om de virkelig oppløses, er de fast bestemt på å finne ut av det.

"Hvis vi virkelig tror det er en hel kategori av metaller der ute som vi ikke forstår," sa Natelson, "er det viktig å forstå dem."

Redaktørens merknad: Flatiron Institute er finansiert av Simons Foundation, som også finansierer dette redaksjonelt uavhengige magasinet. Verken Flatiron Institute eller Simons Foundation har noen innflytelse på vår dekning. Mer informasjon tilgjengelig her..

Quanta gjennomfører en serie undersøkelser for å tjene publikum bedre. Ta vår fysikk leserundersøkelse og du vil bli registrert for å vinne gratis Quanta handelsvarer.