XNUMX년 간의 시행착오 끝에 Liyang Chen은 금속 와이어를 와이어 너비의 절반에 해당하는 미세한 가닥으로 만드는 데 성공했습니다. E.coli 박테리아 — 소량의 전류가 통과할 수 있을 만큼 얇습니다. Chen은 그 흐름의 물방울이 이상한 금속으로 알려진 어리둥절한 종류의 물질을 통해 전하가 어떻게 이동하는지에 대한 지속적인 미스터리를 해결하는 데 도움이 될 수 있기를 바랐습니다.

당시 대학원생이었던 Chen과 라이스 대학의 동료들은 원자처럼 얇은 금속 가닥을 통해 흐르는 전류를 측정했습니다. 그리고 그들은 그것이 매끄럽고 고르게 흐르는 것을 발견했습니다. 사실 이는 물리학자들의 금속 전기에 대한 표준 개념을 무시하는 수준이었습니다.

일반적으로 전류는 분할할 수 없는 전하 덩어리 하나를 운반하는 전자의 집단적 이동으로 인해 발생합니다. 그러나 첸의 해류가 아주 안정적이라는 사실은 그것이 전혀 단위로 이루어지지 않았다는 것을 암시했습니다. 그것은 마치 개별적으로 인식할 수 있는 분자가 부족한 액체를 찾는 것과 같았습니다.

이상하게 들릴 수도 있지만, 이는 일부 물리학자들이 그룹이 테스트한 금속에서 기대한 것과 정확히 일치합니다. 이 금속은 1980년대 이후 물리학자들을 속이고 어리둥절하게 만들었습니다. “아주 아름다운 작품이에요.” 수비르 사크데프, 이상한 금속을 전문으로 하는 하버드 대학의 이론 물리학자.

관찰, 지난 주에보고 저널 과학는 이러한 특이한 금속을 통해 전류를 전달하는 것이 무엇이든 전자처럼 보이지 않는다는 가장 간단한 표시 중 하나입니다. 새로운 실험은 이상한 금속 내에서 새로운 양자 현상이 일어나고 있다는 의혹을 강화합니다. 또한 그것이 무엇인지 이해하려는 이론 물리학자들에게 새로운 원동력을 제공합니다. 

"이상한 금속, 누구도 그것이 어디서 왔는지 전혀 알 수 없습니다."라고 말했습니다. 피터 아바몬테, 일리노이 대학교 어바나-샴페인 캠퍼스의 물리학자입니다. "예전에는 불편하다고 생각했지만, 이제 우리는 이러한 것들 속에 사는 물질의 다른 단계라는 것을 깨닫습니다."

큐프레이트 렌치

금속에 대한 전통적인 이해에 대한 첫 번째 도전은 1986년 Georg Bednorz와 Karl Alex Müller가 상대적으로 따뜻한 온도에서도 전류를 완벽하게 전달하는 물질인 고온 초전도체를 발견하여 물리학계를 뒤흔들었을 때였습니다. 주석이나 수은과 같은 친숙한 금속은 절대 영도 몇도 이내로 냉각되어야만 초전도체가 됩니다. Bednorz와 Müller는 구리 기반("cuprate") 재료의 전기 저항을 측정한 후 상대적으로 온화한 35켈빈에서 전기 저항이 사라지는 것을 확인했습니다. (획기적인 발견으로 Bednorz와 Müller는 불과 XNUMX년 후에 노벨상을 받았습니다.)

물리학자들은 고온 초전도성이 큐프레이트의 신비한 행동의 시작일 뿐이라는 것을 곧 깨달았습니다.

큐프레이트는 초전도를 멈추고 저항을 시작했을 때 정말 이상해졌습니다. 모든 금속이 따뜻해지면 저항이 증가합니다. 온도가 높을수록 원자와 전자가 더 많이 흔들리고 전자가 물질을 통해 전류를 이동시킬 때 저항을 유발하는 충돌이 더 많이 발생합니다. 니켈과 같은 일반 금속의 경우 저온에서 저항이 XNUMX차적으로 증가합니다. 처음에는 천천히, 그 다음에는 점점 더 빠르게 증가합니다. 그러나 큐레이트에서는 선형적으로 증가했습니다. 온도가 올라갈 때마다 저항이 동일하게 증가했습니다. 이 기이한 패턴은 수백도 이상 지속되었으며 이상하게도 물질의 초전도 능력을 무색하게 만들었습니다. 구리산염은 연구자들이 본 것 중 가장 이상한 금속이었습니다.

“초전도성은 쥐다”라고 말했다 안드레이 추부코프, 미네소타 대학의 이론 물리학자. “코끼리는… 이 이상한 금속 행동이군요.”

저항의 선형적 증가는 전하가 금속을 통해 어떻게 이동하는지에 대한 유명한 설명을 위협했습니다. 1956년에 제안된 Lev Landau의 "페르미 액체" 이론은 모든 것의 중심에 전자를 두었습니다. 이는 단순화를 위해 전자가 전류를 전달하고 전자가 가스처럼 금속을 통해 이동한다고 가정한 초기 이론을 기반으로 했습니다. 그들은 서로 상호작용하지 않고 원자 사이를 자유롭게 날아다닙니다.

Landau는 전자가 상호작용한다는 중요하지만 복잡한 사실을 처리하는 방법을 추가했습니다. 그들은 음전하를 띠고 있는데, 이는 끊임없이 서로 반발한다는 것을 의미합니다. 입자 사이의 이러한 상호 작용을 고려하면 전자 가스가 바다의 무언가로 변형되었습니다. 이제 하나의 전자가 전자 유체를 통해 이동하면서 근처의 전자를 교란시킵니다. 상호 반발을 포함하는 복잡한 일련의 상호 작용을 통해 이제 부드럽게 상호 작용하는 전자는 준 입자라고 알려진 덩어리로 군중 속에서 이동하게 되었습니다.

페르미 액체 이론의 기적은 각 준입자가 마치 하나의 기본 전자인 것처럼 거의 정확하게 행동했다는 것입니다. 그러나 한 가지 주요 차이점은 이러한 얼룩이 전자보다 더 느리거나 더 민첩하게(재료에 따라) 움직여 효과적으로 더 무겁거나 더 가볍게 작용한다는 것입니다. 이제 물리학자들은 방정식에서 질량 항을 조정함으로써 전류를 전자의 움직임으로 계속 처리할 수 있으며, 각 전자가 실제로 준입자 덩어리임을 지정하는 별표만 사용하면 됩니다.

Landau 프레임워크의 주요 승리는 일반 금속에서 온도에 따라 저항이 XNUMX차적으로 증가하는 복잡한 방식을 구현했다는 것입니다. 전자와 유사한 준입자는 금속을 이해하는 표준 방법이 되었습니다. Sachdev는 “모든 교과서에 나와 있습니다.”라고 말했습니다.

그러나 큐프라테스에서는 Landau의 이론이 극적으로 실패했습니다. 저항은 표준 XNUMX차 곡선이 아닌 완벽한 선으로 상승했습니다. 물리학자들은 오랫동안 이 선을 큐프레이트가 새로운 물리적 현상의 본거지라는 신호로 해석해 왔습니다.

“자연이 당신에게 단서를 주거나 자연이 믿을 수 없을 정도로 잔인하다고 믿어야 합니다.” 그레고리 보빙거그는 경력의 대부분을 큐프레이트의 선형 반응을 연구하는 데 바친 플로리다 주립 대학의 물리학자입니다. “이렇게 간단하고 매력적인 서명을 하고 물리적으로 중요하지 않은 서명을 한다는 것은 참기 힘든 일입니다.”

그리고 큐레이트는 시작에 불과했습니다. 연구자들은 이후 다음과 같은 사실을 발견했습니다. 다양한 재료 유기 "Bechgaard 염"과 잘못 정렬된 그래핀 시트를 포함하여 동일한 매혹적인 선형 저항을 가지고 있습니다. 이러한 "이상한 금속"이 확산됨에 따라 과학자들은 왜 Landau의 페르미 유체 이론이 이러한 모든 다른 물질에서 분해되는 것처럼 보이는지 궁금해했습니다. 어떤 사람들은 준입자가 전혀 없었기 때문이라고 의심했습니다. 포도의 개별적인 특성이 와인 한 병에서 사라지는 것과 마찬가지로 전자는 어떤 개성을 모호하게 하는 이상한 새로운 방식으로 스스로를 조직하고 있었습니다.

Abbamonte는 “이것은 전자가 실제로 정체성을 갖지 않는 물질의 단계입니다.”라고 말했습니다. “그럼에도 불구하고 [이상한 금속]은 금속이다. 그것은 어떻게 든 전류를 전달합니다.”

그러나 단순히 전자를 없애는 것은 아닙니다. 일부 과학자들에게는 전자로 나누어지지 않는 잠재적으로 연속적인 전류가 너무 급진적이라고 생각합니다. 그리고 이상한 금속 실험 Landau 이론의 특정 예측과 계속해서 일치합니다. 계속되는 논란으로 인해 Chen의 논문 지도교수는 다음과 같이 말했습니다. 더글러스 나 텔슨 라이스 대학의 동료들과 함께 치미아오 시, 이상한 금속을 통해 이동하는 전하의 해부학적 구조를 보다 직접적으로 조사할 수 있는 방법을 고려합니다.

"실제로 무슨 일이 일어나고 있는지 알려주기 위해 무엇을 측정할 수 있을까요?" 네이텔슨은 궁금했다.

전기의 해부학

팀의 목표는 이상한 금속의 전류를 분해하는 것이었습니다. 전자 크기의 전하 덩어리로 왔습니까? 아예 덩어리로 나왔나요? 이를 알아내기 위해 그들은 흐름의 변동을 측정하는 고전적인 방법인 "샷 노이즈"에서 영감을 얻었습니다. 이는 폭풍우 동안 비가 내리는 방식을 생각하면 이해할 수 있는 현상입니다.

당신이 차 안에 앉아 있고 믿을 만한 일기 예보를 통해 앞으로 한 시간 동안 5mm의 비가 내릴 것이라는 것을 알고 있다고 상상해 보십시오. 이 5mm는 총 전류와 같습니다. 비가 소수의 거대한 물방울로 나누어지면 그 물방울이 지붕에 닿는 시점의 변화가 커질 것입니다. 때로는 물방울이 연속적으로 튀기도 하고, 때로는 간격을 두고 떨어져 나가기도 합니다. 이 경우 샷 노이즈가 높습니다. 그러나 동일한 5mm의 비가 작은 물방울의 지속적인 안개로 퍼진다면 도착 시간의 변화와 그에 따른 샷 노이즈가 낮아질 것입니다. 미스트는 매 순간 거의 같은 양의 물을 원활하게 공급합니다. 이러한 방식으로 샷 노이즈는 방울의 크기를 드러냅니다.

"물이 나타나는 속도를 측정하는 것만으로는 전체 그림을 알 수 없습니다"라고 Natelson은 말했습니다. "[해당 비율의] 변동을 측정하면 더 많은 정보를 알 수 있습니다."

마찬가지로, 전류의 딱딱거리는 소리를 들으면 전류를 구성하는 전하 덩어리에 대해 알 수 있습니다. 이러한 덩어리는 일반적으로 Landau의 전자와 유사한 준입자입니다. 실제로 일반 금속의 산탄 소음을 기록하는 것은 전자의 기본 전하(1.6 × 10)를 측정하는 일반적인 방법입니다.^{- 19} 쿨롱.

이상한 금속 전류의 핵심을 파악하기 위해 팀은 샷 노이즈를 측정하고 싶었습니다. 그러나 금속 원자 격자의 잔물결에 의해 전자가 밀려나면 전자 샷 노이즈가 가려질 수 있습니다. 이러한 흐릿함을 피하기 위해 연구자들은 전류를 너무 짧은 와이어를 통해 보내어 잔물결이 전자에 영향을 미칠 시간을 갖지 못하게 했습니다. 이 와이어는 크기가 나노 수준이어야 합니다.

그룹은 이테르븀, 로듐, 실리콘으로 만들어진 특별한 이상한 금속을 사용하기로 결정했습니다. 왜냐하면 Natelson과 Si의 오랜 협력자이기 때문입니다. 실케 뷸러-파셴 비엔나 공과대학의 연구진은 수십 나노미터 두께의 필름에서 물질을 성장시키는 방법을 알아냈습니다. 그것은 하나의 공간적 차원을 처리했습니다.

그런 다음 이러한 필름을 가져와 길이와 너비가 나노미터에 불과한 와이어를 조각하는 방법을 연구하는 일은 Chen에게 맡겨졌습니다.

약 XNUMX년에 걸쳐 Chen은 원자로 금속을 효과적으로 분사하여 금속을 깎아내는 다양한 방법을 테스트했습니다. 그러나 여러 번의 시도를 통해 그는 생성된 나노와이어가 이상한 금속의 특징적인 선형 저항을 파괴하는 원자 규모의 손상을 입는다는 사실을 발견했습니다. 수십 번의 시도 끝에 그는 효과가 있는 공정에 착수했습니다. 그는 금속을 크롬으로 도금하고 아르곤 가스 흐름을 사용하여 크롬으로 보호된 이상한 금속의 얇은 선만 남기고 모두 폭발시킨 다음 욕조를 사용하여 크롬을 벗겨냈습니다. 염산의.

결국 봄에 성공적으로 박사 학위를 취득하고 이후 금융 분야에서 일하게 된 Chen은 거의 완벽한 나노와이어 몇 개를 제작했습니다. 각각의 길이는 약 600나노미터, 너비는 200나노미터로 적혈구보다 약 50배 더 ​​좁습니다.

연구자들은 극한의 한 자릿수 켈빈 온도로 냉각시킨 후 이상한 금속 나노와이어를 통해 전류를 흐르게 했습니다. 그들은 또한 일반 금으로 만들어진 나노와이어를 통해 전류를 흐르게 했습니다. 금선의 전류는 전하를 띤 준입자로 이루어진 전류가 하는 친숙한 방식으로 딱딱거리는 소리를 냈습니다. 마치 자동차 지붕에 튀는 굵은 빗방울처럼 말이죠. 그러나 이상한 금속에서는 전류가 나노와이어를 통해 조용히 빠져나가는데, 이는 거의 조용한 안개 소리와 유사한 효과입니다. 실험에 대한 가장 간단한 해석은 이 이상한 금속의 전하가 전자 크기 덩어리로 흐르지 않는다는 것입니다.

"실험 데이터는 준입자가 이상한 금속에서 손실된다는 강력한 증거를 제공합니다"라고 Si는 말했습니다.

그러나 모든 물리학자들이 이 실험이 란다우의 준입자를 죽인다고 완전히 확신하는 것은 아닙니다. “아주 대담한 주장이다” 브래드 램쇼, 코넬대학교 물리학자. "그래서 대담한 데이터가 필요합니다."

실험의 한 가지 한계는 그룹이 하나의 재료만 테스트했다는 것입니다. Chen의 이테르븀, 로듐 및 실리콘 혼합물에서 샷 노이즈가 낮다고 해서 다른 이상한 금속에서도 샷 노이즈가 낮다는 보장은 없습니다. 그리고 일회성 예외는 항상 해당 자료에 대한 세부 사항을 제대로 이해하지 못한 데서 기인할 수 있습니다.

Ramshaw는 또한 금속이 온갖 종류의 소리를 낸다고 지적했습니다. 이상한 진동 현재의 샷 노이즈가 왜곡될 수 있습니다. Chen과 그의 동료들은 보다 일반적인 진동으로 인한 간섭을 배제했지만 일부 이국적인 파문이 그들의 주의를 회피했을 가능성이 있습니다.

그럼에도 불구하고 Ramshaw는 이 실험이 설득력이 있다고 생각합니다. “그것은 사람들이 전자가 없는 것과도 일치하는지 확인하기 위해 다른 일을 시도하려는 강한 동기를 부여합니다.”라고 그는 말했습니다.

전자가 아니라면 무엇을 할 것인가?

준입자 그림이 계속해서 무너진다면, 그것을 대체할 수 있는 것은 무엇일까? 전자와 같은 전하 소포가 아니라면 이상한 금속 주위에서 전류가 어떻게 이동합니까? 이는 설명하기 쉬운 상황이 아니며, 정확한 수학적 용어로 표현하기는 더욱 어렵습니다. Natelson은 "준입자에 대해 이야기하지 않을 경우 사용해야 할 올바른 어휘는 무엇입니까?"라고 말했습니다.

압력을 가하면 물리학자들은 개별 전자가 사라질 때 나타나는 현상에 대한 은유의 떨림으로 이 질문에 응답합니다. 전자는 얽힌 양자 수프로 융합됩니다. 그들은 젤리로 응고됩니다. 그들은 거품이 많은 전하 덩어리를 형성합니다. 필립 필립스 Urbana-Champaign의 교수는 이상한 금속의 전자를 타이어의 고무에 비유했습니다. 고무가 나무에서 나올 때 그 분자는 개별 끈으로 배열됩니다. 그러나 가황 과정에서 이러한 끈은 견고한 그물로 변합니다. 개인의 집합으로부터 새로운 실체가 출현한다. “부분의 합보다 더 큰 것을 얻게 되는 것입니다.”라고 그는 말했습니다. "전자 자체에는 무결성이 없습니다."

출현에 대한 모호한 설명을 넘어서기 위해 물리학자들은 정확한 수학적 설명, 즉 아직 발견되지 않은 이상한 금속에 대한 페르미 유체 이론이 필요합니다. Sachdev는 1990년대 초에 하나의 단순한 후보인 SYK 모델을 개발하는 데 도움을 주었습니다. 선형 저항은 정확했지만 실제 원자 격자로 만들어진 실제 물질과는 전혀 관련이 없었습니다. 우선, 공간이 없었습니다. 모든 전자는 무작위로 상호 작용하고 다른 모든 전자와 얽히는 단일 지점에 있습니다.

지난 몇 년 동안 Sachdev는 아비쉬카르 파텔 Flatiron Institute의 연구진과 그 협력자들은 다음과 같은 작업을 해왔습니다. SYK 모델에 공간 가져오기. 그들은 원자 격자의 결함, 즉 원자가 사라지거나 추가 원자가 나타나는 지점의 영향을 고려하여 공간 전체에 전자 상호 작용을 확산시킵니다. 이러한 원자 결함의 먼지는 전자 쌍이 상호 작용하고 얽히는 방식에 무작위 변화를 일으킵니다. 결과적으로 얽힌 전자의 태피스트리는 선형적으로 상승하는 저항을 가지고 있습니다. 이는 이상한 금속의 특징입니다. 그들은 최근에 프레임워크를 사용했습니다. 샷 노이즈를 계산하려면 또한. 숫자는 Chen의 관찰과 완전히 일치하지는 않지만 동일한 질적 패턴을 형성합니다. Sachdev는 “모든 추세가 옳습니다.”라고 말했습니다.

다른 연구자들은 이론적 상황은 여전히 ​​유동적이라고 강조합니다. 그래핀 시트와 구리산염 초전도체처럼 서로 다른 물질이 모두 유사한 결함을 공유하여 공유된 이상한 금속 특성을 생성할 수 있는지 여부가 일부 사람들에게는 명확하지 않습니다. Sachdev와 Patel의 이론이 요구하는 방식입니다. 그리고 대안 이론도 풍부합니다. 예를 들어 필립스는 이상한 금속이 필요하다고 의심합니다. 전자기학의 새로운 형태 그것은 전체 전자에 의존하지 않습니다. 한편 Si와 Bühler-Paschen은 거의 20년을 보냈습니다. 개발하고 탐구하다 a 이론 시스템이 "상태"에 있을 때 준입자가 어떻게 용해되는지양자 임계점,” 두 가지 서로 다른 양자 역학적 상태가 우위를 점하기 위해 고군분투하는 곳입니다. 샷 노이즈 실험에서 그들은 나노와이어를 매우 중요한 지점에 도달했습니다.

물리학자들은 전하가 이상한 금속 내부에서 용해되는 것처럼 보이는 이유에 대해 아직 동의하지 않거나 실제로 용해되는 경우에도 이를 알아내기로 결심합니다.

Natelson은 "우리가 이해하지 못하는 전체 범주의 금속이 존재한다고 생각한다면 이를 이해하는 것이 중요합니다."라고 말했습니다.

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