โลหะแปลก ๆ จะเงียบเมื่อพูดถึงเสียงช็อต - โลกฟิสิกส์

โลหะแปลก ๆ จะเงียบเมื่อพูดถึงเสียงช็อต - โลกฟิสิกส์

Time Stamp: 11 ธันวาคม 2023 11:06 น.

ลวดนาโนโลหะประหลาด
ตัวนำเสียงเงียบ: ภาพกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราดของเส้นลวดนาโนขนาดยาวที่ทำจากโลหะประหลาด สเกลบาร์ที่มุมขวาล่างมีความยาว 10 ไมครอน (เอื้อเฟื้อโดย Liyang Chen/กลุ่มวิจัย Natelson/มหาวิทยาลัย Rice)

นักวิจัยในสหรัฐฯ และออสเตรียระบุจากการวัดเสียงรบกวนว่า "โลหะแปลก" ไม่สามารถนำไฟฟ้าผ่านพาหะประจุแบบแยกส่วนได้ ดั๊ก นาเทลสัน ที่มหาวิทยาลัยไรซ์  ซิลค์ พาสเชน ที่มหาวิทยาลัยเทคนิคแห่งเวียนนาและเพื่อนร่วมงานได้ตรวจวัดสัญญาณรบกวนการยิงในระดับต่ำในเส้นลวดนาโนที่ทำจากโลหะแปลก ๆ การค้นพบของพวกเขาสามารถเปิดพื้นที่การวิจัยใหม่เกี่ยวกับวัสดุที่น่าสนใจเหล่านี้

ตั้งแต่ปี 1950 เป็นต้นมา ทฤษฎีเฟอร์มี-ของเหลวทำหน้าที่อธิบายพฤติกรรมของอิเล็กตรอนการนำไฟฟ้าในโลหะส่วนใหญ่ได้ดีมาก ตามทฤษฎีแล้ว กระแสไฟฟ้าเกิดขึ้นจากการเคลื่อนที่ของอนุภาคควาซิพติเคิล ซึ่งเป็นการกระตุ้นโดยรวมของอิเล็กตรอนการนำไฟฟ้าที่มีพฤติกรรมเหมือนอนุภาค การเปรียบเทียบที่เป็นประโยชน์ก็คือ การเคลื่อนไหวของบุคคลหนึ่งคนในฝูงชนยังเกี่ยวข้องกับการเคลื่อนไหวของผู้คนรอบข้างด้วย ซึ่งออกนอกเส้นทางและเติมเต็มช่องว่างที่เหลือจากการเคลื่อนไหว

จากความสำเร็จ ทฤษฎีของเหลวของ Fermi จึงได้รับชื่ออย่างไม่เป็นทางการของ "แบบจำลองมาตรฐาน" ของโลหะธรรมดา แต่เหมือนกับแบบจำลองมาตรฐานของฟิสิกส์อนุภาค เป็นที่รู้กันว่าทฤษฎีนี้มีขีดจำกัด

“โดยเฉพาะอย่างยิ่งในช่วง 40 ปีที่ผ่านมา เห็นได้ชัดว่ามีโลหะที่ดูเหมือนจะไม่เหมาะกับรูปของเหลวของ Fermi และหลายโลหะก็มีคุณสมบัติคล้ายคลึงกัน” Natelson อธิบาย

ข้อโต้แย้งที่เป็นตัวหนา

"มีการถกเถียงกันมากมายว่ามีภาพที่รวมกันอยู่เบื้องหลังโลหะแปลก ๆ เหล่านี้หรือไม่ และข้อโต้แย้งที่กล้าหาญบางอย่างได้ทำนายว่า quasiparticle อาจไม่ใช่คำอธิบายที่ถูกต้องเกี่ยวกับการไหลของประจุในระบบเหล่านั้น" Natelson กล่าว

ในการศึกษา ทีมงานได้ตรวจสอบว่าการวัดเสียงช็อตในโลหะแปลก ๆ อาจเป็นวิธีที่เชื่อถือได้ในการทดสอบแนวคิดเหล่านี้หรือไม่ เสียงช็อตเกิดขึ้นในโลหะธรรมดาเพราะกระแสถูกพาไปโดยควอซิพาร์ติคัลที่แยกจากกัน ซึ่งหมายความว่าที่กระแสต่ำ ความผันผวนเล็กน้อยของจำนวนควอซิพาร์ติคัลจะนำไปสู่ความผันผวนของกระแสที่วัดได้ และความผันผวนเหล่านี้เรียกว่าสัญญาณรบกวนจากช็อต

หากไม่มีอนุภาคควาซิพติคัลจากโลหะแปลก ๆ จริงๆ นาเทลสันและเพื่อนร่วมงานก็ให้เหตุผลว่าเสียงจากกระสุนปืนก็ควรจะหายไปเช่นกัน เพื่อสำรวจแนวคิดนี้ พวกเขาทดลองกับสารประกอบอิตเทอร์เบียม ไดโรเดียม ไดซิลิไซด์ (YbRh2Si2) ซึ่งเป็นหนึ่งในโลหะแปลกที่มีการศึกษากันอย่างแพร่หลายมากที่สุด

การหมุนที่พันกัน

“ระบบนี้แสดงการตอบสนองของโลหะประหลาดต่อการเปลี่ยนแปลงระหว่างสถานะของเหลว Fermi สองสถานะที่แตกต่างกัน โดยแต่ละสถานะจะมีจำนวนพาหะประจุที่มีประสิทธิภาพที่แตกต่างกัน” Natelson อธิบาย เมื่อใกล้กับขอบเขตนี้ การศึกษาก่อนหน้านี้พบว่าประจุของอิเล็กตรอนพัวพันกับการหมุนของพวกมันอย่างลึกซึ้ง ส่งผลให้อนุภาคควาซิพัเคิลของอิเล็กตรอนหายไปในที่สุด

ทีมงานได้รับแรงบันดาลใจจากการทดลองที่ดำเนินการครั้งแรกในทศวรรษ 1990 ซึ่งตรวจวัดเสียงช็อตในเส้นลวดนาโนที่ทำจากโลหะธรรมดาหลายชนิด รวมถึงทองคำอย่างระมัดระวัง การวัดเหล่านี้ตรงกับการทำนายของทฤษฎีของเหลวแฟร์มีอย่างใกล้ชิด

ในการทดลองของตนเอง นักวิจัยได้ใช้เทคนิคการประดิษฐ์แบบใหม่เพื่อสร้าง YbRh2Si2 เส้นลวดนาโน จากนั้นทำตามขั้นตอนการวัดแบบเดียวกับที่ใช้ในการศึกษาก่อนหน้านี้

ความเงียบงันที่ไม่สามารถอธิบายได้

“เราพบว่ามีเสียงรบกวนใน YbRh2Si2 สายไฟมีค่าต่ำกว่าที่พบในลวดทองมาก” นาเทลสันอธิบาย “โดยการวัดอื่นๆ ใน YbRh ที่ยาวกว่า2Si2 เราได้แสดงให้เห็นว่าการกระเจิงของอิเล็กตรอน-โฟนอนดูเหมือนจะไม่สามารถอธิบายการลดเสียงรบกวนในระบบนี้ได้”

การตรวจวัดเป็นหลักฐานที่ชัดเจนว่าอนุภาคควาซิพพาเคิลไม่มีอยู่ในโลหะแปลกเช่น YbRh2Si2. สิ่งนี้สนับสนุนความสงสัยที่มีมายาวนานของนักฟิสิกส์บางคนว่าทฤษฎีของเหลวแฟร์มีไม่สามารถให้คำอธิบายที่ครบถ้วนว่าโลหะประหลาดมีพฤติกรรมอย่างไร

“นี่น่าตื่นเต้นมาก” นาเทลสันกล่าว “ตอนนี้สิ่งสำคัญคือต้องทดสอบเพื่อดูว่าเสียงที่ถูกระงับนี้สามารถเห็นได้ในโลหะแปลกๆ อื่นๆ หรือไม่ หรือว่าเราสามารถปรับระหว่างเสียงแบบ 'ทั่วไป' และเสียงรบกวนที่ถูกระงับโดยการปรับเข้าและออกจากระบอบการปกครองของโลหะประหลาด” หากเป็นกรณีนี้ สิ่งนี้สามารถเปิดพื้นที่การวิจัยใหม่ที่น่าตื่นเต้น ซึ่งอาจนำไปสู่กลุ่มโลหะแปลกใหม่อีกด้วย

งานวิจัยได้อธิบายไว้ใน วิทยาศาสตร์.

ประทับเวลา:

เพิ่มเติมจาก โลกฟิสิกส์