來(lái)源:原理
科學(xué)家已經(jīng)非常了解溫度會(huì)如何影響像銅或銀等大多數(shù)日常金屬的導(dǎo)電性。但近年來(lái),研究人員已經(jīng)將注意力轉(zhuǎn)向了一類(lèi)似乎不遵循傳統(tǒng)電學(xué)規(guī)則的材料,也就是所謂的奇異金屬。
在一項(xiàng)發(fā)表于《自然》雜志的研究中,研究團(tuán)隊(duì)在一種材料中發(fā)現(xiàn)了奇異金屬行為,這種材料中的電荷不是由電子攜帶的,而是由兩個(gè)電子結(jié)合而成的庫(kù)珀對(duì)所攜帶。這是科學(xué)家首次在玻色子體系中看到奇異金屬的行為。
玻色子和費(fèi)米子
1952年,諾貝爾獎(jiǎng)得主利昂·庫(kù)珀(Leon Cooper)發(fā)現(xiàn),在正常的超導(dǎo)體(而不是之后發(fā)現(xiàn)的那種高溫超導(dǎo)體)中,電子會(huì)聯(lián)合起來(lái)形成庫(kù)珀對(duì),它們可以毫無(wú)阻力地在原子晶格中滑行。
雖然電子屬于一類(lèi)被稱(chēng)為費(fèi)米子的粒子,但庫(kù)珀對(duì)卻是以玻色子的方式行事,遵循著與費(fèi)米子截然不同的規(guī)則。玻色子和費(fèi)米子的體系通常表現(xiàn)得非常不同。
費(fèi)米子與玻色子的主要區(qū)別。
費(fèi)米子遵循泡利不相容原理,也就是說(shuō),在費(fèi)米子組成的系統(tǒng)中,兩個(gè)或兩個(gè)以上的費(fèi)米子不能占據(jù)相同的量子態(tài)。
但是,玻色子卻沒(méi)有這樣的限制。因此,玻色子被允許共享相同的量子態(tài),這也意味著,它們可以像水分子在波紋中那樣集體移動(dòng)。
奇異金屬
奇異金屬行為最早是在約30年前在一類(lèi)叫作銅氧化物的材料中發(fā)現(xiàn)的。這些銅氧化物材料因?yàn)槭?/font>高溫超導(dǎo)體而為人所知,也就是說(shuō),它們可以在遠(yuǎn)高于普通超導(dǎo)體的溫度下以零電阻導(dǎo)電。
但是,即使在高于超導(dǎo)臨界溫度的溫度下,與其他金屬相比,銅氧化物的行為也很奇怪。
隨著溫度升高,銅氧化物的電阻會(huì)以嚴(yán)格的線(xiàn)性方式增加。在正常的金屬中,電阻只增加到一定程度,而在高溫下變得恒定,這與所謂的費(fèi)米液體理論一致。
當(dāng)在金屬中流動(dòng)的電子撞上金屬的振動(dòng)原子結(jié)構(gòu),導(dǎo)致它們散開(kāi)時(shí),電阻就會(huì)產(chǎn)生。費(fèi)米液體理論為電子散射的發(fā)生設(shè)定了一個(gè)最大速率。但奇異金屬并不遵循這種費(fèi)米液體規(guī)則,而且還沒(méi)有人能確定它們是如何運(yùn)作的。
科學(xué)家知道的是,奇怪金屬中的溫度與電阻的關(guān)系似乎與自然界的兩個(gè)基本常數(shù)有關(guān),分別是玻爾茲曼常數(shù)(它代表隨機(jī)熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的能量),以及普朗克常數(shù)(它與光子的能量有關(guān))。
為了理解在這些奇異金屬中發(fā)生的事情,人們已經(jīng)應(yīng)用了類(lèi)似于用來(lái)理解黑洞的數(shù)學(xué)方法。換句話(huà)說(shuō),在這些材料中一定發(fā)生了一些關(guān)于非常基本的物理學(xué)的事情。
玻色子奇異金屬
2019年,科學(xué)家已經(jīng)證實(shí),庫(kù)珀對(duì)玻色子可以產(chǎn)生金屬行為,也就是說(shuō),它們能以一定的阻力導(dǎo)電。研究人員認(rèn)為這本身就是一個(gè)驚人的發(fā)現(xiàn),因?yàn)榱孔永碚摰囊乇砻鳎@種現(xiàn)象應(yīng)該是不可能的。
在這項(xiàng)最新的研究中,團(tuán)隊(duì)想了解玻色子庫(kù)珀對(duì)金屬是否也是奇異金屬。他們使用了一種叫作釔鋇銅氧(YBCO)的銅氧化物材料,這種材料上有誘導(dǎo)庫(kù)珀對(duì)金屬態(tài)的空穴。
納米圖案化的YBCO薄膜的掃描電子顯微鏡圖像。12納米厚的納米圖案化的YBCO薄膜是利用直接放置在YBCO上面的陽(yáng)極氧化鋁(AAO)膜通過(guò)反應(yīng)離子刻蝕制造的。通過(guò)應(yīng)離子刻蝕,直徑約70納米、周期約103納米的三角孔陣列的AAO圖案被復(fù)制到了YBCO薄膜上。| 圖片來(lái)源:Yang et al。 / Nature (2021)
他們將材料冷卻到略高于其超導(dǎo)溫度的狀態(tài),觀(guān)察它的電導(dǎo)變化。結(jié)果發(fā)現(xiàn),與費(fèi)米子奇異金屬一樣,庫(kù)珀對(duì)金屬的電導(dǎo)與溫度呈線(xiàn)性關(guān)系。
基本的理論見(jiàn)解
對(duì)理論學(xué)家來(lái)說(shuō),為奇怪金屬中觀(guān)察到的行為找到理論解釋一直是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。而這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)表明,如果要模擬奇異金屬中的電荷傳輸,這個(gè)型必須同時(shí)適用于費(fèi)米子和玻色子,盡管這些類(lèi)型的粒子遵循根本上不同的規(guī)則。
奇異金屬行為也很有可能是理解高溫超導(dǎo)性的關(guān)鍵,而高溫超導(dǎo)性已經(jīng)在許多方面表現(xiàn)出了巨大潛力。
而且,奇異金屬行為似乎也與一些基本常數(shù)有關(guān),了解它們的行為或許也能揭示出更多物理世界的基本原理。
#創(chuàng)作團(tuán)隊(duì):
編譯:M?ka
排版:雯雯
#參考來(lái)源:
https://www.brown.edu/news/2022-01-12/strangemetal
https://www.nature.com/articles/s41586-021-04239-y
http://www.sci-news.com/physics/bosonic-strange-metal-10461.html
#圖片來(lái)源:
封面圖:PxHere
首圖:Pixabay
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