“奇异金属”导电特性令人困惑
(2023-12-21 12:00:00)分类: 军事与科技 |
“奇异金属”导电特性令人困惑
2023-12-06
据美国趣味科学网站12月2日报道,科学家发现电流在一组奇怪的金属中像液体一样流动,这让他们大惑不解。
这项实验是在纳米大小的导线中进行的,而这种导线由一组叫做“奇异金属”的奇怪材料制成。实验表明电不再以电子团块的形式移动,这与物理学家关于金属行为一个非常基本的假设相矛盾。
如果观察结果正确,那么它们不仅可以增进人们对奇异金属的理解(这些金属自从近40年前被发现以来一直困扰着物理学家),而且还将使人们重新评估电荷的携带方式。研究人员11月23日在美国《科学》周刊上发表了研究结果。
奇异金属是一种量子材料,具有一些真正奇怪的特性:它们不仅无视普通金属的电阻规则,而且有些奇异金属甚至可以在相对较高的温度下成为超导体,这意味着它们可以在没有任何电阻的情况下携带电流。
在普通金属中,电阻率(测量电流通过材料的困难程度)随着温度平方的升高而增加,直到金属变得炽热时趋于稳定。
但在1986年,一种叫做铜酸盐的含铜材料打破了所有规则。铜酸盐的电阻率随温度线性增加,当其中一些铜酸盐被冷却到某个温度阈值(零下135摄氏度)时,它们就会变成超导体。
这些金属携带电流的方式非常奇怪。
在发现奇异金属之前,物理学家认为,传统的金属由主要是单个电子的费米“海洋”组成,这些电子一个接一个传输电流。后来,物理学家列夫·兰道深化了这种观点,纳入电子的相互作用。他在1956年提出一套理论,认为金属中的电子根据量子纠缠的怪异规则聚集在一起。
这意味着当金属的电子以电流的形式游动时,它们不是离散地运动,而是以准粒子团块的形式流动。兰道的理论被证明极其准确,成为关于金属如何导电的标准观点。
为了测试奇异金属可能发生的情况,研究人员用奇异金属镱、铑和硅的精确混合物,制作了微小的纳米线(每条宽200纳米,长600纳米,大约是细菌大小的五分之一),将它们冷却到比绝对零度高几度的温度。
然后,让电流短暂地通过这些纳米线后,科学家利用被称为“散粒噪声”的经典现象测量电子流的波动。作为量子粒子,电子受随机量子力学过程的支配。在电线上施加电压后,里面的电子就会随机地从一端滑到另一端。
通常,有太多的电子参与这个过程,以至于每个电子移动的随机性被整个电流的蜂拥而动淹没了。但是,使用微小导线和微量电压时,物理学家可以减少能够流动的电子数量。
如果兰道的团块准粒子理论适用于奇异金属,那么在实验中检测到的散粒噪声应该显示,电子以离散团块的形式到达。
但令人震惊的是,纳米线中的电流并没有产生大的飞溅,而是发出持续的嘶嘶声——电流正在通过纳米线,但它似乎与用来传输电流的载流子不同步。
研究论文资深作者、赖斯大学物理学教授道格拉斯·纳特尔森解释说:“想象一下拥挤的走廊。在普通金属的情况下,即使走廊很拥挤,一个人(准粒子)在通过走廊时,身边的人仅会受轻微的干扰。在奇异金属的情况下,走廊更像摇滚舞池。人们推推搡搡,以至于你无法真正跟上某一个人的脚步,最终有一个人穿过大厅。”
现在这种奇怪的现象已经得到观测。研究人员说,通过在其他奇异金属中寻找这种现象,他们可能会发现这种奇怪物相背后的共同“组织原理”,以及关于奇异金属如何实现超导性的一些关键提示。