Зустрічайте дивні метали: де електрика може текти без електронів | Журнал Quanta

Після року спроб і помилок Ліян Чень зумів скоротити металевий дріт на мікроскопічну нитку шириною в половину E.coli бактерія — достатньо тонка, щоб через неї пройшов електричний струм. Краплі цього струму, як сподівався Чень, можуть допомогти вирішити постійну таємницю про те, як заряд рухається через дивовижний клас матеріалів, відомих як дивні метали.

Чен, який тоді був аспірантом, і його співробітники з Університету Райса виміряли силу струму, що протікає через тонку, як атом, нитку металу. І вони виявили, що він тече плавно та рівномірно. Фактично настільки рівномірно, що це суперечило стандартній концепції фізиків про електрику в металах.

Канонічно електричний струм є результатом колективного руху електронів, кожен з яких несе одну неподільну частину електричного заряду. Але мертва стабільність течії Чена означала, що вона взагалі не складається з одиниць. Це було схоже на те, що знайти рідину, в якій якимось чином не вистачає індивідуально впізнаваних молекул.

Хоча це може здатися дивовижним, це саме те, чого деякі фізики очікували від металу, який досліджувала група, який разом зі своїм незвичайним родичем спокушав і спантеличив фізиків з 1980-х років. «Це дуже красива робота», — сказав Субір Сачдев, фізик-теоретик із Гарвардського університету, який спеціалізується на дивних металах.

Спостереження, повідомили минулого тижня в журналі наука, є одним із найпростіших доказів того, що все, що проходить через ці незвичайні метали, зовсім не схоже на електрони. Новий експеримент посилює підозри, що в дивних металах виникає нове квантове явище. Це також дає нову інформацію для фізиків-теоретиків, які намагаються зрозуміти, що це може бути. 

«Дивні метали, ніхто не має земного уявлення, звідки вони беруться», — сказав Пітер Аббамонте, фізик в Університеті Іллінойсу, Урбана-Шампейн. «Раніше це вважалося незручністю, але тепер ми розуміємо, що це насправді інша фаза матерії, яка живе в цих речах».

Купратний гайковий ключ

Перший виклик традиційному розумінню металів стався в 1986 році, коли Георг Беднорц і Карл Алекс Мюллер сколихнули світ фізики своїм відкриттям високотемпературних надпровідників — матеріалів, які чудово проводять електричний струм навіть за відносно високих температур. Знайомі метали, такі як олово та ртуть, стають надпровідниками лише тоді, коли їх охолоджують до кількох градусів за абсолютним нулем. Беднорц і Мюллер виміряли електричний опір у матеріалі на основі міді («купрат») і побачили, що він зник при відносно приємних 35 кельвінах. (За своє проривне відкриття Беднорц і Мюллер лише через рік отримали Нобелівську премію.)

Незабаром фізики зрозуміли, що високотемпературна надпровідність була лише початком загадкової поведінки купратів.

Купрати стали дуже дивними, коли вони перестали бути надпровідними і почали чинити опір. Оскільки всі метали нагріваються, опір зростає. Вищі температури означають, що атоми й електрони сильніше хитаються, створюючи більше зіткнень, що викликають опір, коли електрони пересувають струм через матеріал. У звичайних металах, таких як нікель, опір зростає квадратично при низьких температурах — спочатку повільно, а потім швидше й швидше. Але в купратах він зростав лінійно: кожен градус нагрівання приводив до однакового збільшення опору — химерна картина, яка тривала протягом сотень градусів і, з точки зору дивності, затьмарювала надпровідну здатність матеріалу. Купрати були найдивнішими металами, які коли-небудь бачили дослідники.

«Надпровідність — це миша», — сказав Андрій Чубуков, фізик-теоретик в Університеті Міннесоти. «Слон… це дивна поведінка металу».

Лінійне зростання опору загрожувало відомому поясненню того, як електричний заряд рухається крізь метали. Запропонована в 1956 році теорія «фермі-рідини» Лева Ландау поставила електрони в центр усього цього. Він базувався на попередніх теоріях, які для простоти припускали, що електрони несуть електричний струм і що електрони рухаються крізь метал, як газ; вони вільно літають між атомами, не взаємодіючи один з одним.

Ландау додав спосіб поводження з важливим, але складним фактом взаємодії електронів. Вони негативно заряджені, тобто постійно відштовхуються один від одного. Враховуючи цю взаємодію між частинками, електронний газ перетворився на щось на зразок океану — тепер, коли один електрон рухався крізь рідину електронів, він заважав сусіднім електронам. Завдяки складній серії взаємодій, що включає взаємне відштовхування, ці тепер м’яко взаємодіючі електрони зрештою подорожували натовпами — у згустках, відомих як квазічастинки.

Диво теорії рідини Фермі полягало в тому, що кожна квазічастинка поводилася майже точно так, ніби вона була єдиним фундаментальним електроном. Однією з основних відмінностей було те, що ці краплі рухалися повільніше або спритніше (залежно від матеріалу), ніж чистий електрон, фактично діючи важче або легше. Тепер, просто скоригувавши масові члени у своїх рівняннях, фізики могли продовжувати розглядати струм як рух електронів, лише із зірочкою, яка вказувала, що кожен електрон насправді був згустком квазічастинок.

Головним тріумфом системи Ландау було те, що у звичайних металах вона виявила складний шлях, за яким опір зростає квадратично з температурою. Електроноподібні квазічастинки стали стандартним способом розуміння металів. «Це є в кожному підручнику», — сказав Сачдев.

Але в купратах теорія Ландау драматично зазнала краху. Опір зростав у бездоганній лінії, а не стандартній квадратичній кривій. Фізики довго інтерпретували цю лінію як ознаку того, що купрати є домом для нового фізичного явища.

«Ви повинні вірити, що або природа дає вам підказку, або природа неймовірно жорстока», — сказав Грегорі Бобінгер, фізик з Університету штату Флорида, який присвятив більшу частину своєї кар’єри вивченню лінійної реакції купратів. «Поставити такий жахливо простий і оманливий підпис і не мати його фізичного значення було б просто надто важко».

І купрати були лише початком. Відтоді дослідники виявили a безліч різнорідних матеріалів з таким самим привабливим лінійним опором, включаючи органічні «солі Бехгаарда» та зміщені листи графену. Оскільки ці «дивні метали» поширювалися, вчені дивувалися, чому теорія рідини Фермі Ландау, здається, руйнується в усіх цих різних матеріалах. Деякі почали підозрювати, що це тому, що квазічастинок взагалі не було; електрони якимось чином організовувалися дивним новим способом, який приховував будь-яку індивідуальність, подібно до того, як дискретна природа винограду губиться в пляшці вина.

«Це фаза матерії, де електрон насправді не має ідентичності», — сказав Аббамонте. «Проте [дивний метал] є металом; воно якимось чином несе струм».

Але не можна просто скасовувати електрони. Для деяких вчених потенційно безперервний електричний струм — такий, який не розділений на електрони — є надто радикальним. І деякі дивні експерименти з металом продовжують відповідати певним передбаченням теорії Ландау. Постійні суперечки спонукали керівника дисертації Чена, Дуглас Нательсон Університету Райса разом зі своїм колегою Qimiao Si, щоб розглянути, як вони могли б більш безпосередньо вивчити анатомію заряду, що рухається крізь дивний метал.

«Що я міг би виміряти, що насправді могло б сказати мені, що відбувається?» — здивувався Нательсон.

Анатомія електрики

Метою команди було розсікти струм у дивному металі. Чи він надходив у вигляді шматків заряду розміром з електрон? Воно взагалі приходило шматками? Щоб з’ясувати це, вони черпали натхнення з класичного способу вимірювання коливань потоку — «пострілового шуму» — явища, яке можна зрозуміти, якщо подумати про те, як може йти дощ під час зливи.

Уявіть, що ви сидите в машині й знаєте за достовірним прогнозом погоди, що протягом наступної години випаде 5 міліметрів дощу. Ці 5 міліметрів схожі на загальний електричний струм. Якщо цей дощ розділити на жменю гігантських крапель, варіація в тому, коли ці краплі потраплять на ваш дах, буде великою; іноді краплі розбризкуються спиною до спини, а іноді вони розлітаються. У цьому випадку шум пострілу високий. Але якщо ті самі 5 міліметрів дощу розповсюджуються на постійний туман із крихітних крапель, коливання часу прибуття — і, отже, постріловий шум — будуть незначними. Туман буде плавно доставляти майже однакову кількість води від моменту до моменту. Таким чином постріловий шум розкриває розмір крапель.

«Просте вимірювання швидкості появи води не дає вам повної картини», — сказав Нательсон. «Вимірювання коливань [цієї ставки] скаже вам набагато більше».

Подібним чином, прослуховування тріску в електричному струмі може розповісти вам про шматки заряду, з яких він складається. Зазвичай ці шматки є електроноподібними квазічастинками Ландау. Дійсно, запис дробового шуму в нормальному металі є звичайним способом вимірювання основного заряду електрона — 1.6 × 10^-19 кулони.

Щоб дістатися до суті течії дивного металу, команда хотіла виміряти дробовий шум. Але електронний постріловий шум може бути прихований, якщо електрони штовхаються брижами в атомній решітці металу. Щоб уникнути цієї неприємності, дослідники пропускають струм через настільки короткі дроти, що брижі не встигають впливати на електрони. Ці дроти мають бути наноскопічними.

Група вирішила працювати з особливим дивним металом, виготовленим з ітербію, родію та кремнію, тому що Нательсон і давній співробітник Сі, Сільке Бюлер-Пашен з Віденського технологічного університету, розробив, як вирощувати матеріал у плівках товщиною лише десятки нанометрів. Це подбало про один просторовий вимір.

Тоді Ченю довелося розробити, як взяти ці плівки та вирізати дріт довжиною та шириною лише нанометрів.

Протягом приблизно року Чен тестував різні способи витончення металу шляхом ефективної піскоструминної обробки атомами. Але в ході випробувань за випробуваннями він виявив, що отримані нанодроти зазнали атомних пошкоджень, які знищили характерний лінійний опір дивного металу. Після десятків спроб він знайшов процес, який спрацював: він покрив метал хромом, використав потік газу аргону, щоб здути весь захищений хромом дивний метал, крім тонкої лінії, а потім зняв хром ванною. соляної кислоти.

Зрештою, Чен, який навесні успішно здобув докторський ступінь і з тих пір почав працювати у фінансовій сфері, створив декілька майже бездоганних нанодротів. Кожен мав приблизно 600 нанометрів у довжину та 200 нанометрів у ширину — приблизно в 50 разів вужче за еритроцити.

Після охолодження їх до холодної однозначної температури Кельвіна дослідники пустили електричний струм через дивні металеві нанодроти. Вони також пропускали струм через нанодроти, виготовлені зі звичайного золота. Струм у золотому дроті тріщав так само, як струми, створені із заряджених квазічастинок, — як жирні краплі дощу, що бризкають на дах автомобіля. Але в дивному металі струм тихо ковзав крізь нанодрот, ефект схожий на майже безшумне шипіння туману. Найпростіша інтерпретація експерименту полягає в тому, що заряд у цьому дивному металі не тече шматками розміром з електрон.

«Експериментальні дані є переконливими доказами того, що квазічастинки втрачаються в дивному металі», — сказав Сі.

Проте не всі фізики повністю впевнені, що експеримент вбиває квазічастинки Ландау. «Це дуже сміливе твердження», — сказав Бред Рамшоу, фізик Корнельського університету. «Тож вам потрібні сміливі дані».

Одним з обмежень експерименту є те, що група тестувала лише один матеріал. Лише тому, що дробовий шум низький у суміші Чена з ітербію, родію та кремнію, це не гарантує, що він низький в інших дивних металах. І одноразова аномалія завжди може бути приписана якійсь погано зрозумілій деталі цього матеріалу.

Рамшоу також зазначив, що метали дзвонять різним чином дивні вібрації що може спотворити дробовий шум у струмі. Чен та його колеги виключили перешкоди від більш звичайних вібрацій, але можливо, що якісь екзотичні хвилі не помітили їх.

Тим не менш, Рамшоу вважає експеримент переконливим. «Це сильно спонукає людей намагатися робити інші речі, щоб перевірити, чи вони також сумісні з відсутністю електронів», — сказав він.

Якщо не електрони, то що?

Якщо картина квазічастинок продовжує руйнуватися, що може замінити її? Як струм рухається навколо дивних металів, як не в електроноподібних зарядових елементах? Цю ситуацію непросто описати, а тим більше викласти в точних математичних термінах. «Який правильний словниковий запас використовувати, — сказав Нательсон, — якщо ви не збираєтеся говорити про квазічастинки?»

При натисканні фізики відповідають на це запитання тремтінням метафор про те, що з’являється, коли окремі електрони зникають: вони зливаються в заплутаний квантовий суп; вони застигають у желе; вони утворюють пінистий безлад заряду, що розпливається навколо. Філіп Філіпс Урбана-Шампейн порівнює електрони дивного металу з гумою в шині. Коли каучук виходить з дерева, його молекули шикуються в окремі струни. Але в процесі вулканізації ці нитки перетворюються на міцну сітку. Із сукупності особин з’являється нова речовина. «Ви отримуєте щось більше, ніж сума його частин», — сказав він. «Самі електрони не мають цілісності».

Щоб вийти за рамки розпливчастих описів появи, фізикам потрібен точний математичний опис — ще невідкрита теорія рідини Фермі для дивних металів. Сачдев допоміг розробити один спрощений кандидат, модель SYK, на початку 1990-х років. Це правильний лінійний опір, але це не мало нічого спільного з реальними матеріалами, виготовленими з реальної сітки атомів. З одного боку, у ньому не було місця; усі електрони знаходяться в одній точці, де вони випадково взаємодіють і заплутуються з усіма іншими електронами.

За останні пару років Сачдев, Аавішкар Патель Інституту Флетірон та їхні співробітники працювали над привнесення простору в модель SYK. Вони поширюють взаємодію електронів у просторі, враховуючи вплив дефектів в атомній решітці — плями, де атоми зникли або з’явилися додаткові атоми. Це порошення атомних недосконалостей викликає випадкові зміни в тому, як пари електронів взаємодіють і заплутуються. Опір заплутаних електронів, що утворився, має лінійно зростаючий опір — характерна риса дивного металу. Нещодавно вони використовували свій фреймворк розрахувати постріловий шум так само. Цифри не зовсім збігаються зі спостереженнями Чена, але вони утворюють ту саму якісну модель. «Усі тенденції правильні», — сказав Сачдев.

Інші дослідники підкреслюють, що теоретична ситуація залишається мінливою — для деяких незрозуміло, чи можуть матеріали, які відрізняються один від одного, як листи графену та купратних надпровідників, мати достатню низку недоліків, щоб створити спільні властивості дивних металів у спосіб, який вимагає теорія Сачдева та Пателя. І існує безліч альтернативних теорій. Філіпс, наприклад, підозрює, що дивні метали вимагають нова форма електромагнетизму що не покладається на цілі електрони. Тим часом Сі та Бюлер-Пашен витратили майже 20 років розвиваються та досліджують a теорія як квазічастинки розчиняються, коли система знаходиться на “квантова критична точка”, де два різні квантово-механічні стани борються за перевагу. В експерименті з дробовим шумом вони довели свої нанодроти саме до такої критичної точки.

Хоча фізики ще не дійшли згоди щодо того, чому електричні заряди, здається, розчиняються всередині дивних металів, або навіть якщо вони справді розчиняються, вони мають намір це з’ясувати.

«Якщо ми дійсно думаємо, що існує ціла категорія металів, яку ми не розуміємо, — сказав Нательсон, — важливо їх зрозуміти».

Примітка редактора: Flatiron Institute фінансується Фондом Сімонса, який також фінансує цей редакційно незалежний журнал. Ні Інститут Флетайрона, ні Фонд Сімонса не мають жодного впливу на наше висвітлення. Доступна додаткова інформація тут.

Quanta проводить серію опитувань, щоб краще обслуговувати нашу аудиторію. Візьміть наші опитування читачів з фізики і ви будете введені, щоб виграти безкоштовно Quanta товар