|
Электричество в странных металлах течет, как вода
|
|
|
|
Ученые заметили, что электричество течет, как жидкость, внутри странной группы металлов, и это поставило их в тупик. Эксперимент, проведенный с нанопроводами, изготовленными из странного класса материалов, называемых «странными металлами», показывает, что электричество больше не движется в виде сгустков электронов, что противоречит одному из самых основных предположений физиков о поведении металлов. Если наблюдения верны, они могут не только пролить свет на странные металлы, которые сбивают с толку физиков с момента их открытия почти 40 лет назад, но и привести к переоценке того, как можно переносить электрический заряд. Исследователи опубликовали свои выводы 23 ноября в журнале Science. «Странные металлы» — это тип квантового материала с некоторыми действительно странными свойствами: они не только нарушают правила электрического сопротивления, присущие обычным металлам, но некоторые из них даже могут становиться сверхпроводниками при относительно высоких температурах — то есть они могут проводить электрический ток без любое сопротивление. В обычных металлах удельное электрическое сопротивление — мера того, насколько трудно электрическому току течь через материал — увеличивается пропорционально квадрату температуры, а затем выравнивается, когда металл становится очень горячим.
|
|
|
|
Это имеет интуитивный смысл: удельное сопротивление возникает, когда несущие заряд электроны в металле сталкиваются и рассеиваются внутри вибрирующей атомной структуры металла, поэтому увеличение колебаний атомов увеличит скорость рассеяния до такой степени, что электроны станут неспособны проводить ток. Но в 1986 году класс медьсодержащих материалов, называемых купратами, нарушил все правила. Вместо этого сопротивление купратов увеличивалось линейно с температурой, и когда некоторые из них охлаждались ниже определенного температурного порога — минус 211 градусов по Фаренгейту или минус 135 градусов по Цельсию — они превращались в сверхпроводники. Что-то очень странное происходило с тем, как металлы проводят ток. До открытия странных металлов физики рассматривали традиционные металлы как состоящие из фермиевского «моря», состоящего в основном из отдельных электронов, несущих ток один за другим. Позже физик Лев Ландау разработал теорию взаимодействия между электронами, которая в 1956 году предположила, что электроны в металлах собираются вместе в соответствии с жуткими правилами квантовой запутанности.
|
|
|
Это означает, что когда электроны металлов плывут в виде тока, они не движутся дискретно, а текут сгустками квазичастиц. Теория Ландау оказалась потрясающе точной и стала стандартным взглядом на то, как металлы проводят электричество. Однако странный линейный рост сопротивления в странных металлах остался необъяснимым. Чтобы проверить, что может происходить, исследователи, стоящие за новым исследованием, создали крошечные нанопроволоки (каждая шириной 200 нанометров и длиной 600 нанометров, что примерно в пять раз меньше, чем у бактерии) из точной смеси странных металлов иттербия, родия и кремния. охлаждение их до температуры всего на несколько градусов выше абсолютного нуля. Затем, пропустив короткие импульсы тока по проводам, ученые измерили колебания потока электронов, используя классическое явление, известное как дробовой шум. Как квантовые частицы, электроны управляются случайными квантово-механическими процессами. Затем приложите напряжение к проводу, и электроны внутри него будут перемещаться от одного конца к другому в случайные моменты времени.
|
|
|
|
Обычно в этом процессе принимает участие так много электронов, что случайность движения каждого из них заглушается бегством общего тока. Но, сделав провода маленькими и напряжение минимальным, физики могут уменьшить количество электронов, способных течь, и сделать статическое потрескивание тока видимым. «Дискретные заряды имеют некоторые статистические колебания в том, как они текут», — рассказал Live Science старший автор Дуглас Нательсон, профессор физики Университета Райса в Техасе. «Как песчинки в песочных часах, в среднем поток течет плавно, но если вы посмотрите внимательно, иногда две последовательные песчинки проходят близко друг к другу во времени, а иногда и дальше друг от друга». Если теория слипшихся квазичастиц Ландау применима к странным металлам, то дробовой шум, обнаруженный в эксперименте, должен показать, что его электроны прибывают дискретными сгустками. Но, что шокировало, вместо больших брызг ток в нанопроводах возникал в виде непрерывного шипения — электричество проходило по проводам, но, казалось, не соответствовало носителям заряда, предназначенным для его транспортировки.
|
|
|
|
«Представьте себе переполненный коридор. В обычном металлическом корпусе, даже если коридор переполнен, конкретный человек (квазичастица) может пройти по коридору, лишь слегка потревожив проходя соседей», — объяснил Нательсон. «В странном металлическом ящике коридор больше похож на помойку. Все так толкутся, что больше невозможно уследить за человеком, но каким-то образом по коридору все еще идет чистый поток людей». Теперь, когда странное явление наблюдалось, исследователи заявили, что, ища его в других странных металлах, они могут найти общий «организующий принцип», стоящий за странной материальной фазой, а также некоторые важные подсказки о том, как странные металлы достигают сверхпроводимость.
|
|
|
|
Источник
|
