Bir yıllık deneme yanılmanın ardından Liyang Chen, metal bir teli bir telin yarısı genişliğinde mikroskobik bir şerit haline getirmeyi başardı. E.coli bakteri - bir miktar elektrik akımının geçmesine izin verecek kadar ince. Chen, bu akımın damlacıklarının, yükün garip metaller olarak bilinen şaşırtıcı bir malzeme sınıfında nasıl hareket ettiğine dair kalıcı bir gizemin çözülmesine yardımcı olabileceğini umuyordu.

O zamanlar yüksek lisans öğrencisi olan Chen ve Rice Üniversitesi'ndeki işbirlikçileri, atomların ince metal teli boyunca akan akımı ölçtüler. Ve bunun düzgün ve eşit bir şekilde aktığını buldular. Aslında o kadar dengeli ki, fizikçilerin metallerdeki elektrikle ilgili standart anlayışına meydan okuyordu.

Kanonik olarak elektrik akımı, her biri bölünmez bir elektrik yükü yığını taşıyan elektronların kolektif hareketinden kaynaklanır. Ancak Chen'in akıntısının son derece istikrarlı olması onun birimlerden oluşmadığını gösteriyordu. Bireysel olarak tanınabilen moleküllerden bir şekilde yoksun olan bir sıvıyı bulmak gibiydi.

Bu kulağa tuhaf gelse de, bazı fizikçilerin grubun test ettiği metalden beklediği şey tam olarak buydu; metal, sıra dışı akrabalarıyla birlikte 1980'lerden bu yana fizikçileri şaşkına çevirdi. "Çok güzel bir eser" dedi Subir SachdevGarip metaller konusunda uzmanlaşmış, Harvard Üniversitesi'nde teorik fizikçi.

Gözlem, Geçen hafta rapor dergisinde Bilim, bu olağandışı metallerden akım taşıyan her şeyin elektronlara benzemediğini gösteren en açık göstergelerden biridir. Yeni deney, garip metallerde yeni bir kuantum olgusunun ortaya çıktığı yönündeki şüpheleri güçlendiriyor. Aynı zamanda bunun ne olabileceğini anlamaya çalışan teorik fizikçiler için de yeni bir kaynak sağlıyor. 

"Garip metaller, kimsenin nereden geldiklerine dair hiçbir fikri yok" dedi Peter AbbamonteUrbana-Champaign'deki Illinois Üniversitesi'nden fizikçi. "Eskiden bu bir rahatsızlık olarak görülüyordu, ancak şimdi bunun, bu şeylerin içinde yaşayan maddenin gerçekten farklı bir aşaması olduğunu anlıyoruz."

Cuprate Anahtarı

Metallerin geleneksel anlayışına ilk meydan okuma, 1986 yılında Georg Bednorz ve Karl Alex Müller'in yüksek sıcaklık süperiletkenlerini (nispeten sıcak sıcaklıklarda bile elektrik akımını mükemmel şekilde taşıyan malzemeler) keşfetmeleriyle fizik dünyasını sarsmasıyla geldi. Kalay ve cıva gibi tanıdık metaller, yalnızca birkaç derece mutlak sıfıra kadar soğutulduklarında süper iletken hale gelirler. Bednorz ve Müller, bakır bazlı (“kuprat”) bir malzemenin elektrik direncini ölçtüler ve direncin nispeten yumuşak 35 kelvin seviyesinde kaybolduğunu gördüler. (Çığır açan keşiflerinden dolayı Bednorz ve Müller sadece bir yıl sonra Nobel Ödülünü cebine attılar.)

Fizikçiler çok geçmeden yüksek sıcaklıktaki süperiletkenliğin, kupratların gizemli davranışlarının yalnızca başlangıcı olduğunu fark ettiler.

Kupratlar süperiletkenliği bırakıp direnmeye başladıklarında gerçekten tuhaflaştılar. Tüm metaller ısındıkça direnç artar. Daha yüksek sıcaklıklar, atomların ve elektronların daha fazla titreşmesi anlamına gelir ve elektronlar bir malzeme boyunca akım taşırken daha fazla dirence neden olan çarpışmalar yaratır. Nikel gibi normal metallerde direnç, düşük sıcaklıklarda karesel olarak artar; önce yavaş, sonra daha hızlı ve daha hızlı. Ancak kupratlarda doğrusal olarak yükseldi: Her bir ısınma derecesi, dirençte aynı artışı getirdi; yüzlerce derecenin üzerinde devam eden tuhaf bir model, tuhaflık açısından, malzemenin süperiletkenlik yeteneğini gölgede bıraktı. Kupratlar araştırmacıların şimdiye kadar gördüğü en tuhaf metallerdi.

"Süper iletkenlik bir faredir" dedi Andrey ÇubukovMinnesota Üniversitesi'nde teorik fizikçi. "Fil... bu tuhaf metal davranışıdır."

Dirençteki doğrusal artış, elektrik yükünün metallerde nasıl hareket ettiğine dair ünlü açıklamayı tehdit etti. 1956'da ortaya atılan Lev Landau'nun “Fermi sıvısı” teorisi, elektronları her şeyin merkezine yerleştiriyordu. Basitlik sağlamak amacıyla, elektronların elektrik akımı taşıdığını ve elektronların bir metalin içinde gaz gibi hareket ettiğini varsayan daha önceki teorilere dayanıyordu; birbirleriyle etkileşime girmeden atomlar arasında serbestçe uçarlar.

Landau, elektronların etkileşime girdiğine dair çok önemli ama karmaşık gerçeği ele almanın bir yolunu ekledi. Negatif yüklüdürler, yani sürekli birbirlerini iterler. Parçacıklar arasındaki bu etkileşim göz önüne alındığında, elektron gazını bir okyanusa dönüştürdü; şimdi, bir elektron elektron sıvısı içinde hareket ederken yakındaki elektronları rahatsız etti. Karşılıklı itmeyi içeren karmaşık bir dizi etkileşim yoluyla, artık yavaşça etkileşime giren bu elektronlar, quasipartiküller olarak bilinen kümeler halinde kalabalıklar halinde seyahat etmeye başladı.

Fermi sıvı teorisinin mucizesi, her bir yarı parçacığın neredeyse tam olarak tek bir temel elektronmuş gibi davranmasıydı. Ancak önemli bir fark, bu damlacıkların çıplak bir elektrona göre daha ağır veya daha çevik (malzemeye bağlı olarak) hareket etmesi ve etkili bir şekilde daha ağır veya daha hafif hareket etmesiydi. Artık fizikçiler, denklemlerindeki kütle terimlerini ayarlayarak, akımı elektronların hareketi olarak ele almaya devam edebilirler; yalnızca her elektronun gerçekte bir yarı parçacık kümesi olduğunu belirten bir yıldız işareti bulunur.

Landau'nun çerçevesinin büyük bir zaferi, normal metallerde direncin sıcaklıkla ikinci dereceden arttığı karmaşık yolu çivilemesiydi. Elektron benzeri yarı parçacıklar metalleri anlamanın standart yolu haline geldi. Sachdev, "Bu her ders kitabında var" dedi.

Ancak cupratlarda Landau'nun teorisi dramatik bir şekilde başarısız oldu. Direnç standart ikinci dereceden eğri yerine kusursuz bir çizgide yükseldi. Fizikçiler uzun süredir bu çizgiyi kupratların yeni bir fiziksel olguya ev sahipliği yaptığının bir işareti olarak yorumladılar.

"Doğanın size bir ipucu verdiğine veya doğanın inanılmaz derecede acımasız olduğuna neredeyse inanmanız gerekiyor" dedi. Gregory BoebingerFlorida Eyalet Üniversitesi'nden kariyerinin çoğunu kupratların doğrusal tepkisini inceleyerek geçiren bir fizikçi. "Böylesine son derece basit ve aldatıcı bir imza koymak ve bunun fiziksel olarak önemli olmaması, katlanılması zor bir şey olurdu."

Ve cupratlar sadece başlangıçtı. Araştırmacılar o zamandan beri bir şey keşfettiler çok sayıda farklı malzeme Organik “Bechgaard tuzları” ve yanlış hizalanmış grafen tabakaları da dahil olmak üzere aynı çekici doğrusal dirence sahip. Bu "tuhaf metaller" çoğaldıkça, bilim adamları Landau'nun Fermi akışkan teorisinin tüm bu farklı malzemelerde neden çöktüğünü merak ettiler. Bazıları bunun yarı parçacıklar olmadığından şüphelenmeye başladı; elektronlar bir şekilde kendilerini, tıpkı üzümlerin farklı doğasının bir şişe şarapta kaybolması gibi, her türlü bireyselliği gizleyen yeni ve tuhaf bir şekilde organize ediyorlardı.

Abbamonte, "Bu, bir elektronun gerçekte hiçbir kimliğinin olmadığı maddenin bir aşamasıdır" dedi. “Yine de [tuhaf bir metal] bir metaldir; bir şekilde akım taşıyor.”

Ancak elektronlar basitçe ortadan kaldırılamaz. Bazı bilim adamlarına göre, potansiyel olarak sürekli bir elektrik akımı (elektronlara bölünmeyen bir akım) çok radikaldir. Ve bazı garip metal deneyleri Landau'nun teorisinin bazı tahminleriyle eşleşmeye devam ediyor. Devam eden tartışma Chen'in tez danışmanını şu sözlere sevk etti: douglas natelson Rice Üniversitesi'nden meslektaşıyla birlikte Qimiao Situhaf bir metalin içinden geçen yükün anatomisini nasıl daha doğrudan inceleyebileceklerini düşünmek.

“Bana neler olduğunu anlatacak neyi ölçebilirim?” Natelson merak etti.

Elektriğin Anatomisi

Takımın amacı, akımı garip bir metalde parçalamaktı. Elektron boyutunda yük parçaları halinde mi geldi? Parça parça mı geldi? Bunu öğrenmek için, bir akıştaki dalgalanmaları ölçmenin klasik bir yönteminden - "atış gürültüsünden" - ilham aldılar; bu olgu, yağmur fırtınası sırasında yağmurun nasıl yağabileceğini düşünürsek anlaşılabilir.

Arabanızda oturduğunuzu ve güvenilir bir hava tahmininden önümüzdeki saat içinde 5 milimetre yağmur yağacağını bildiğinizi hayal edin. Bu 5 milimetre toplam elektrik akımı gibidir. Eğer yağmur bir avuç dev damlaya bölünürse, bu damlaların çatınıza çarpma zamanındaki değişim yüksek olacaktır; bazen damlalar arka arkaya sıçrayacak, bazen de aralıklı olacak. Bu durumda atış gürültüsü yüksektir. Ancak aynı 5 milimetrelik yağmur, küçük damlacıklardan oluşan sürekli bir sis halinde yayılırsa, varış süresindeki değişiklik ve dolayısıyla atış gürültüsü düşük olacaktır. Sis, her an neredeyse aynı miktarda suyu sorunsuz bir şekilde dağıtacaktır. Bu sayede atış gürültüsü damlaların boyutunu ortaya çıkarır.

Natelson, "Sadece suyun ortaya çıkma hızını ölçmek size resmin tamamını anlatmıyor" dedi. "[Bu orandaki] dalgalanmaları ölçmek size çok daha fazlasını anlatıyor."

Benzer şekilde, elektrik akımındaki çıtırtıyı dinlemek, onu oluşturan yük parçaları hakkında size bilgi verebilir. Bu parçalar normalde Landau'nun elektron benzeri yarı parçacıklarıdır. Aslında atış gürültüsünü normal bir metalde kaydetmek, elektronun temel yükünü ölçmenin yaygın bir yoludur - 1.6 × 10^-19 kulomblar.

Ekip, garip bir metal akımının kalbine ulaşmak için atış sesini ölçmek istedi. Ancak elektronlar metalin atomik kafesindeki dalgalanmalar tarafından itilirse elektronik atış gürültüsü gizlenebilir. Bu tüylenmeyi önlemek için araştırmacılar, dalgaların elektronları etkilemeye zamanı olmayacak kadar kısa kablolar aracılığıyla akım gönderiyorlar. Bu tellerin nanoskobik ölçekte olması gerekir.

Grup, iterbiyum, rodyum ve silikondan yapılmış tuhaf bir metalle çalışmayı seçti çünkü Natelson ve Si'nin uzun süreli işbirlikçisiydi. Silke Bühler-Paschen Viyana Teknoloji Üniversitesi'nden bilim adamları, malzemenin sadece düzinelerce nanometre kalınlığındaki filmlerde nasıl büyütüleceğini araştırmıştı. Bu bir uzaysal boyutu halletti.

Daha sonra bu filmlerin nasıl alınacağını ve uzunluğu ve genişliği yalnızca nanometre olan bir telin nasıl kesileceğini bulmak Chen'e düştü.

Yaklaşık bir yıl boyunca Chen, metali atomlarla etkili bir şekilde kumlayarak parçalamanın farklı yollarını denedi. Ancak ardı ardına yapılan denemelerde, ortaya çıkan nanotellerin, tuhaf metalin karakteristik doğrusal direncini yok eden atomik ölçekte hasara uğradığını buldu. Düzinelerce denemeden sonra işe yarayan bir yönteme ulaştı: Metali kromla kapladı, argon gazı akışı kullanarak kromla korunan tuhaf metalin ince bir çizgisi dışında tamamını patlattı ve ardından bir banyoyla kromu sıyırdı. hidroklorik asitten oluşur.

Sonunda, baharda doktorasını başarıyla kazanan ve o zamandan beri finans alanında çalışmaya başlayan Chen, bir avuç dolusu neredeyse kusursuz nanotel üretti. Her biri kabaca 600 nanometre uzunluğunda ve 200 nanometre genişliğindeydi; yani bir kırmızı kan hücresinden yaklaşık 50 kat daha dardı.

Onları soğuk, tek haneli Kelvin sıcaklıklarına kadar soğuttuktan sonra araştırmacılar, garip metal nanotellerden elektrik akımı geçirdiler. Ayrıca normal altından yapılmış nanoteller üzerinden de akım aktardılar. Altın teldeki akım, yüklü yarı parçacıklardan oluşan akımların yaptığı gibi tanıdık bir şekilde çatırdıyordu; tıpkı arabanın tavanına sıçrayan kalın yağmur damlaları gibi. Ancak tuhaf metalde akım, nanotelin içinden sessizce akıyordu; bu, sisin neredeyse sessiz tıslamasına benzer bir etkiydi. Deneyin en basit yorumu, bu tuhaf metaldeki yükün elektron boyutunda parçalar halinde akmadığıdır.

Si, "Deneysel veriler, yarı parçacıkların garip metalde kaybolduğuna dair güçlü kanıtlar sağlıyor" dedi.

Ancak fizikçilerin tümü deneyin Landau'nun yarı parçacıklarını öldürdüğüne tam olarak ikna olmuş değil. "Bu çok cesur bir iddia" dedi Brad RamshawCornell Üniversitesi'nde fizikçi. “Yani cesur verilere ihtiyacınız var.”

Deneyin bir sınırlaması, grubun yalnızca bir malzemeyi test etmesidir. Chen'in iterbiyum, rodyum ve silikon karışımında atış sesinin düşük olması, diğer yabancı metallerde de düşük olduğunu garanti etmiyor. Ve tek seferlik bir anormallik her zaman o materyalle ilgili yeterince anlaşılmayan bir ayrıntıya atfedilebilir.

Ramshaw ayrıca metallerin her türlü ses tonuyla çınladığına dikkat çekti. garip titreşimler bu, akımdaki atış gürültüsünü bozabilir. Chen ve meslektaşları daha yaygın titreşimlerden kaynaklanan müdahaleleri dışladılar, ancak bazı egzotik dalgalanmaların dikkatlerinden kaçmış olması da mümkün.

Yine de Ramshaw deneyi ilgi çekici buluyor. "İnsanların, elektronların olmamasıyla da tutarlı olup olmadıklarını görmek için başka şeyler yapmaya çalışmaları oldukça motive edici" dedi.

Elektron Değilse Ne Olabilir?

Eğer yarı parçacık resmi parçalanmaya devam ederse onun yerini ne alabilir? Akım, elektron benzeri yük parsellerinde değilse garip metallerin etrafında nasıl hareket ediyor? Açıklanması kolay bir durum değil, kesin matematiksel terimlerle ifade edilmesi bir yana. Natelson, "Kusipartiküller hakkında konuşmayacaksanız, kullanılacak doğru kelime nedir?" dedi.

Fizikçiler bu soruyu sorulduğunda, tek tek elektronlar ortadan kaybolduğunda ortaya çıkan şeye dair titrek bir metaforla yanıt veriyorlar: Dolanık bir kuantum çorbasına dönüşüyorlar; jöleye dönüşüyorlar; etrafa saçılan köpüklü bir yük yığını oluştururlar. Philip Phillips Urbana-Champaign, garip bir metalin elektronlarını lastikteki kauçuğa benzetiyor. Kauçuk bir ağaçtan çıktığında molekülleri ayrı ayrı diziler halinde sıralanır. Ancak vulkanizasyon işlemi sırasında bu ipler sağlam bir ağa dönüşür. Bireylerin toplanmasından yeni bir madde ortaya çıkıyor. "Parçalarının toplamından daha büyük bir şey elde ediyorsunuz" dedi. “Elektronların kendilerinde bir bütünlük yok.”

Ortaya çıkışın belirsiz tanımlarının ötesine geçmek için fizikçilerin kesin bir matematiksel tanımlamaya ihtiyaçları var; garip metaller için henüz keşfedilmemiş bir Fermi akışkan teorisi. Sachdev, 1990'ların başında basit bir aday olan SYK modelinin geliştirilmesine yardımcı oldu. Doğrusal direnci doğru bir şekilde elde etti, ancak bunun gerçek bir atom ağından oluşan gerçek malzemelerle hiçbir ilgisi yoktu. Öncelikle içinde yer yoktu; tüm elektronlar tek bir noktada bulunur ve burada rastgele etkileşime girer ve diğer tüm elektronlarla dolaşır.

Son birkaç yıldır Sachdev, Aavishkar Patel Flatiron Enstitüsü'nün ve işbirlikçilerinin üzerinde çalıştığı SYK modeline yer açmak. Atomik kafesteki kusurların (atomların kaybolduğu veya fazladan atomların ortaya çıktığı noktalar) etkilerini dikkate alarak elektron etkileşimlerini uzaya yaydılar. Atomik kusurların bu tozlanması, elektron çiftlerinin nasıl etkileşime girdiği ve dolaştığı konusunda rastgele değişikliklere neden olur. Ortaya çıkan dolaşmış elektronlardan oluşan duvar halısı, doğrusal olarak artan bir dirence sahiptir; bu, tuhaf bir metalin ayırt edici özelliğidir. Yakın zamanda çerçevelerini kullandılar atış gürültüsünü hesaplamak için ilave olarak. Rakamlar Chen'in gözlemleriyle tam olarak eşleşmiyor ancak aynı niteliksel modeli oluşturuyorlar. Sachdev, "Bütün eğilimler doğru" dedi.

Diğer araştırmacılar teorik durumun değişken kaldığını vurguluyor; bazıları için, grafen tabakaları ve kuprat süperiletkenleri gibi birbirinden farklı malzemelerin hepsinin, ortak garip metal özelliklerini üretmeye yetecek kadar benzer bir kusur listesini paylaşıp paylaşamayacağı açık değil. Sachdev ve Patel'in teorisinin gerektirdiği yol. Ve alternatif teoriler çoktur. Örneğin Phillips garip metallerin Elektromanyetizmanın yeni ortaya çıkan bir biçimi bu tam elektronlara dayanmaz. Bu arada Si ve Bühler-Paschen neredeyse 20 yılını harcadılar. geliştirme ve keşfetme a teori Bir sistem "" noktasında durduğunda yarı parçacıkların nasıl çözüldüğüne dairkuantum kritik noktasıİki farklı kuantum mekaniksel durumun üstünlük için mücadele ettiği yer. Atış gürültüsü deneyinde nanotellerini tam da böyle kritik bir noktaya getirdiler.

Fizikçiler, elektrik yüklerinin tuhaf metallerin içinde neden çözülüyor gibi göründüğü veya gerçekten çözülseler bile neden çözüldüğü konusunda henüz hemfikir olmasalar da, bunu bulmaya kararlılar.

Natelson, "Eğer gerçekten anlamadığımız bir metal kategorisinin bulunduğunu düşünüyorsak, bunları anlamak önemlidir" dedi.

Editörün notu: Flatiron Enstitüsü, editoryal açıdan bağımsız bu dergiyi de finanse eden Simons Vakfı tarafından finanse edilmektedir. Ne Flatiron Enstitüsü ne de Simons Vakfı'nın kapsamımız üzerinde herhangi bir etkisi yoktur. Daha fazla bilgi mevcut okuyun.

Kuantum izleyicilerimize daha iyi hizmet verebilmek için bir dizi anket yürütüyor. Bizimkini al fizik okuyucu anketi ve ücretsiz kazanmak için girileceksiniz Kuantum mal.