Знакомьтесь со странными металлами: куда может течь электричество без электронов | Журнал Кванта

После года проб и ошибок Лиян Чен сумел превратить металлическую проволоку в микроскопическую нить шириной в половину ширины проволоки. E.coli бактерия — достаточно тонкая, чтобы пропускать струйку электрического тока. Капли этого тока, как надеялся Чэнь, могли бы помочь разрешить загадку о том, как заряд движется через сбивающий с толку класс материалов, известных как странные металлы.

Чен, тогда еще аспирант, и его коллеги из Университета Райса измерили ток, текущий через их металлическую нить толщиной с атом. И они обнаружили, что оно течет гладко и равномерно. Настолько равномерно, что это бросало вызов стандартной концепции физиков об электричестве в металлах.

Канонически электрический ток возникает в результате коллективного движения электронов, каждый из которых несет один неделимый кусок электрического заряда. Но мертвая устойчивость течения Чена подразумевала, что оно вообще не состоит из единиц. Это было похоже на обнаружение жидкости, в которой почему-то отсутствовали индивидуально узнаваемые молекулы.

Хотя это может показаться диковинным, это именно то, чего некоторые физики ожидали от металла, который тестировала группа, который вместе со своими необычными родственниками очаровывал и сбивал с толку физиков с 1980-х годов. «Это очень красивая работа», — сказал Субир Сачдев, физик-теоретик из Гарвардского университета, специализирующийся на странных металлах.

Наблюдение, сообщила на прошлой неделе В журнале Наука, является одним из наиболее очевидных признаков того, что все, что пропускает ток через эти необычные металлы, не похоже на электроны. Новый эксперимент усиливает подозрения, что внутри странных металлов возникает новое квантовое явление. Это также дает новую информацию физикам-теоретикам, пытающимся понять, что это может быть. 

«Странные металлы, никто даже понятия не имеет, откуда они берутся», — сказал Питер Аббамонте, физик из Университета Иллинойса, Урбана-Шампейн. «Раньше это считалось неудобством, но теперь мы понимаем, что на самом деле в этих вещах живет другая фаза материи».

Купратный ключ

Первый вызов традиционному пониманию металлов появился в 1986 году, когда Георг Беднорц и Карл Алекс Мюллер потрясли мир физики своим открытием высокотемпературных сверхпроводников — материалов, которые прекрасно проводят электрический ток даже при относительно высоких температурах. Привычные металлы, такие как олово и ртуть, становятся сверхпроводниками только при охлаждении до температуры в несколько градусов от абсолютного нуля. Беднорц и Мюллер измерили электрическое сопротивление материала на основе меди («купрата») и увидели, что оно исчезло при относительно мягких 35 кельвинах. (За свое революционное открытие Беднорц и Мюллер всего год спустя получили Нобелевскую премию.)

Физики вскоре поняли, что высокотемпературная сверхпроводимость — это только начало загадочного поведения купратов.

Купраты стали очень странными, когда перестали быть сверхпроводящими и начали сопротивляться. По мере нагревания всех металлов сопротивление увеличивается. Более высокие температуры означают, что атомы и электроны сильнее колеблются, создавая больше столкновений, вызывающих сопротивление, поскольку электроны перемещают ток через материал. В обычных металлах, таких как никель, сопротивление при низких температурах возрастает квадратично — сначала медленно, а затем все быстрее и быстрее. Но в купратах оно возрастало линейно: каждый градус потепления приводил к одинаковому увеличению сопротивления — причудливая закономерность, которая продолжалась на протяжении сотен градусов и, с точки зрения странности, затмевала сверхпроводящие способности материала. Купраты были самыми странными металлами, которые когда-либо видели исследователи.

«Сверхпроводимость — это мышь», — сказал Андрей Чубуков, физик-теоретик из Университета Миннесоты. «Слон… это странное металлическое поведение».

Линейный рост сопротивления поставил под угрозу знаменитое объяснение того, как электрический заряд проходит через металлы. Предложенная в 1956 году теория «ферми-жидкости» Льва Ландау поместила в центр всего этого электроны. Он основывался на более ранних теориях, которые для простоты предполагали, что электроны переносят электрический ток и что электроны движутся сквозь металл, как газ; они свободно порхают между атомами, не взаимодействуя друг с другом.

Ландау предложил способ справиться с важным, но сложным фактом взаимодействия электронов. Они заряжены отрицательно, а значит, постоянно отталкиваются друг от друга. Учитывая это взаимодействие между частицами, электронный газ превратился в нечто вроде океана — теперь, когда один электрон двигался сквозь жидкость электронов, он возмущал соседние электроны. В результате сложной серии взаимодействий, включающих взаимное отталкивание, эти теперь мягко взаимодействующие электроны в конечном итоге стали путешествовать толпами — сгустками, известными как квазичастицы.

Чудо теории ферми-жидкости заключалось в том, что каждая квазичастица вела себя почти так же, как если бы она была единственным фундаментальным электроном. Однако одно из основных отличий заключалось в том, что эти капли двигались медленнее или проворнее (в зависимости от материала), чем голый электрон, фактически действуя тяжелее или легче. Теперь, просто скорректировав массовые члены в своих уравнениях, физики могли продолжать рассматривать ток как движение электронов, только со звездочкой, указывающей, что каждый электрон на самом деле представляет собой сгусток квазичастиц.

Главным триумфом теории Ландау было то, что в обычных металлах она выявила сложный способ квадратичного увеличения сопротивления с температурой. Электроноподобные квазичастицы стали стандартным способом понимания металлов. «Это есть в каждом учебнике», — сказал Сачдев.

Однако в отношении купратов теория Ландау потерпела полную неудачу. Сопротивление росло по безупречной линии, а не по стандартной квадратичной кривой. Физики уже давно интерпретировали эту линию как признак того, что купраты являются домом для нового физического явления.

«В значительной степени приходится верить, что природа либо дает вам подсказку, либо природа невероятно жестока», — сказал он. Грегори Бебингер, физик из Университета штата Флорида, посвятивший большую часть своей карьеры изучению линейного отклика купратов. «Поставить такую ​​ужасно простую и привлекательную подпись, не имея при этом физической важности, было бы слишком тяжело вынести».

И купраты были только началом. С тех пор исследователи обнаружили множество разнородных материалов с тем же заманчивым линейным сопротивлением, включая органические «соли Бехгора» и смещенные листы графена. По мере распространения этих «странных металлов» ученые задавались вопросом, почему теория ферми-жидкости Ландау, похоже, не работает во всех этих различных материалах. Некоторые стали подозревать, что это произошло потому, что квазичастиц вообще не существовало; электроны каким-то странным образом организовывались, скрывая любую индивидуальность, подобно тому, как дискретная природа винограда теряется в бутылке вина.

«Это фаза материи, в которой электрон действительно не имеет идентичности», — сказал Аббамонте. «Тем не менее, [странный металл] есть металл; каким-то образом по нему течет ток».

Но нельзя просто уничтожить электроны. Для некоторых ученых потенциально непрерывный электрический ток, не разделенный на электроны, является слишком радикальным. И какие-то странные эксперименты с металлом продолжают соответствовать некоторым предсказаниям теории Ландау. Продолжающиеся разногласия побудили научного руководителя Чена: Дуглас Нательсон из Университета Райса вместе со своим коллегой Цимиао Си, чтобы подумать, как они могли бы более тщательно изучить анатомию заряда, движущегося через странный металл.

«Что я могу измерить, чтобы на самом деле сказать мне, что происходит?» — задумался Нательсон.

Анатомия электричества

Целью команды было проанализировать ток в странном металле. Пришло ли оно в виде кусков заряда размером с электрон? Оно вообще шло частями? Чтобы выяснить это, они черпали вдохновение из классического способа измерения колебаний потока — «дробового шума» — явления, которое можно понять, если подумать о том, как дождь может выпадать во время ливня.

Представьте, что вы сидите в машине и из достоверного прогноза погоды знаете, что в течение следующего часа выпадет 5 миллиметров дождя. Эти 5 миллиметров подобны общему электрическому току. Если этот дождь разделить на несколько гигантских капель, разница в том, когда эти капли попадут на вашу крышу, будет значительной; иногда капли разбрызгиваются друг к другу, а иногда они разлетаются в разные стороны. В этом случае дробовой шум высок. Но если те же 5 миллиметров дождя разбросаны в постоянный туман из крошечных капель, изменение времени прибытия — и, следовательно, дробового шума — будет небольшим. Туман будет плавно доставлять почти одинаковое количество воды от момента к моменту. Таким образом, дробовой шум выявляет размер капель.

«Простое измерение скорости появления воды не даст вам всей картины», — сказал Нательсон. «Измерение колебаний [этой скорости] скажет вам гораздо больше».

Точно так же потрескивание электрического тока может рассказать вам о составляющих его зарядах. Эти куски обычно представляют собой электроноподобные квазичастицы Ландау. Действительно, запись дробового шума в обычном металле является распространенным способом измерения фундаментального заряда электрона — 1.6 × 10.^-19 кулоны.

Чтобы понять суть тока странного металла, команда хотела измерить дробовой шум. Но электронный дробовой шум можно заглушить, если электроны перемещаются за счет ряби в атомной решетке металла. Чтобы избежать этой путаницы, исследователи пропускают ток через настолько короткие провода, что пульсации не успевают повлиять на электроны. Эти провода должны быть наноскопическими по размеру.

Группа решила работать с особым странным металлом, состоящим из иттербия, родия и кремния, потому что Нательсон и давний соратник Си, Силке Бюлер-Пашен из Венского технологического университета разработали способ выращивания материала в пленках толщиной всего несколько десятков нанометров. Это позаботилось об одном пространственном измерении.

Затем Чену пришлось придумать, как взять эти пленки и вырезать проволоку длиной и шириной всего лишь нанометры.

В течение примерно года Чен тестировал различные способы измельчения металла путем эффективной пескоструйной обработки его атомами. Но в ходе испытания за испытанием он обнаружил, что полученные нанопровода получили повреждения атомного масштаба, которые разрушили характерное линейное сопротивление странного металла. После десятков попыток он нашел метод, который сработал: он покрыл металл хромом, использовал струю аргона, чтобы удалить все, кроме тонкой линии защищенного хромом странного металла, а затем снял хром с помощью ванны. соляной кислоты.

В конце концов, Чен, который весной успешно получил докторскую степень и с тех пор пошел работать в финансы, создал несколько почти безупречных нанопроводов. Каждый из них имел длину примерно 600 нанометров и ширину 200 нанометров — примерно в 50 раз уже, чем эритроцит.

Охладив их до однозначных температур Кельвина, исследователи пропустили электрический ток через странные металлические нанопровода. Они также пропускали ток через нанопровода, сделанные из обычного золота. Ток в золотой проволоке потрескивал так же, как токи из заряженных квазичастиц, — словно толстые капли дождя разбрызгивались по крыше автомобиля. Но в странном металле ток тихо протекал по нанопроволоке, эффект сродни почти бесшумному шипению тумана. Самая простая интерпретация эксперимента заключается в том, что заряд в этом странном металле не течет кусками размером с электроны.

«Экспериментальные данные убедительно доказывают, что квазичастицы теряются в странном металле», — сказал Си.

Однако не все физики полностью убеждены в том, что эксперимент Ландау убивает квазичастицы. «Это очень смелое заявление», — сказал Брэд Рэмшоу, физик из Корнелльского университета. «Итак, вам нужны смелые данные».

Одним из ограничений эксперимента является то, что группа тестировала только один материал. Тот факт, что дробовой шум низок в смеси Чена, иттербия, родия и кремния, не гарантирует, что он низок и в других странных металлах. А единичную аномалию всегда можно объяснить какой-то плохо изученной деталью этого материала.

Рамшоу также отметил, что металлы звенят всевозможными способами. странные вибрации это может исказить дробовой шум в потоке. Чен и его коллеги исключили влияние более распространенных вибраций, но возможно, что какая-то экзотическая пульсация ускользнула от их внимания.

Тем не менее, Рамшоу находит этот эксперимент убедительным. «Это сильно мотивирует людей попытаться сделать что-то другое, чтобы увидеть, совместимы ли они с отсутствием электронов», — сказал он.

Если не электроны, то что?

Если картина квазичастиц продолжит рушиться, что сможет заменить ее? Как ток движется вокруг странных металлов, если не в электронных пакетах заряда? Эту ситуацию нелегко описать, а тем более выразить в точных математических терминах. «Какой словарь лучше использовать, — спросил Нательсон, — если вы не собираетесь говорить о квазичастицах?»

При нажиме физики отвечают на этот вопрос множеством метафор того, что появляется, когда отдельные электроны исчезают: они сливаются в запутанный квантовый суп; они застывают в желе; они образуют пенистую массу плещущегося заряда. Филип Филлипс Урбана-Шампейн сравнивает электроны странного металла с резиной в шине. Когда каучук выходит из дерева, его молекулы выстраиваются в отдельные нити. Но в процессе вулканизации эти нити превращаются в прочную сеть. Из совокупности индивидов возникает новая субстанция. «Вы получаете нечто большее, чем сумма его частей», — сказал он. «Сами электроны не имеют целостности».

Чтобы выйти за рамки расплывчатых описаний возникновения, физикам необходимо точное математическое описание — пока еще не открытая теория ферми-жидкости для странных металлов. В начале 1990-х Сачдев помог разработать одну упрощенную модель — модель SYK. Он правильно определил линейное сопротивление, но это не имело ничего общего с реальными материалами, состоящими из настоящей сетки атомов. Во-первых, в нем не было места; все электроны сидят в одной точке, где они случайным образом взаимодействуют и запутываются со всеми другими электронами.

За последние пару лет Сачдев, Аавишкар Патель Института Флэтайрон, и их сотрудники работали над привнесение пространства в модель СМК. Они распространяют взаимодействие электронов по пространству, рассматривая последствия дефектов в атомной решетке — мест, где атомы пропали или появились лишние атомы. Это напыление атомных несовершенств вызывает случайные изменения в том, как пары электронов взаимодействуют и запутываются. Получающееся в результате полотно запутанных электронов имеет линейно возрастающее сопротивление — отличительная черта странного металла. Недавно они использовали свой фреймворк для расчета дробового шума также. Цифры не совсем соответствуют наблюдениям Чена, но они образуют ту же качественную картину. «Все тенденции верны», — сказал Сачдев.

Другие исследователи подчеркивают, что теоретическая ситуация остается нестабильной — некоторым неясно, могут ли материалы, столь отличные друг от друга, как листы графена и купратные сверхпроводники, иметь достаточно схожий набор недостатков, чтобы обеспечить общие свойства странного металла в путь, требуемый теорией Сачдева и Пателя. Альтернативных теорий предостаточно. Филлипс, например, подозревает, что странные металлы требуют новая форма электромагнетизма это не зависит от целых электронов. Тем временем Си и Бюлер-Пашен провели почти 20 лет. разрабатываем и изучаем a теория о том, как растворяются квазичастицы, когда система находится в «квантовая критическая точка», где два разных квантовомеханических состояния борются за власть. В эксперименте с дробовым шумом они довели свои нанопроволоки как раз до такой критической точки.

Хотя физики пока не пришли к единому мнению относительно того, почему электрические заряды растворяются внутри странных металлов, и даже если они действительно растворяются, они полны решимости это выяснить.

«Если мы действительно думаем, что существует целая категория металлов, которую мы не понимаем», — сказал Нательсон, — «важно понять их».

Примечание редактора: Институт Флэтайрон финансируется Фондом Саймонса, который также финансирует этот редакционно независимый журнал. Ни Институт Флэтайрон, ни Фонд Саймонса не имеют никакого влияния на наше освещение. Доступна дополнительная информация здесь.

Quanta проводит серию опросов, чтобы лучше обслуживать нашу аудиторию. Возьми наш опрос читателей по физике и вы будете участвовать в бесплатном выигрыше Quanta товар.