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科學家們驚奇的發現:在一組奇怪的金屬內部觀察到電流如液體般流動
2023/12/05

在一項新的實驗中,科學家們發現了一種奇怪的金屬,它的電流表現得像液體一樣。這種金屬是一種量子材料,具有超導等奇異的物理性質。這項發現可能揭示了奇怪金屬的內部機制,也可能改變我們對電荷傳遞的理解。

科學家們在一組奇怪的金屬內部觀察到電流如液體般流動,這讓他們感到困惑。

這項實驗是在由一種名為「奇怪金屬」的材料制成的納米尺寸導線中進行的,結果顯示電流不再以電子團塊的形式移動,這違背了物理學家對金屬行為的最基本假設之一。

如果這些觀察是正確的,它們不僅可能揭示奇怪金屬的奇異特性,自從這些金屬的發現近40年來,物理學家們一直對其感到困惑,而且可能導致對電荷傳遞方式的重新評估。研究人員于11月23日在《Science》雜志上發表了他們的發現。

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「奇怪金屬」是一種量子材料,具有一些真正奇怪的特性:它們不僅違反了普通金屬中電阻規則,而且一些甚至可以在相對較高的溫度下成為超導體——這意味著它們可以在沒有任何電阻的情況下傳導電流。

在普通金屬中,電阻率——電流在材料中傳導的難度的度量——隨著溫度的平方增加,然后在金屬變得非常熱時趨于平緩。這是有直觀意義的——電阻率是由于在金屬中攜帶電荷的電子在材料的振動原子結構內發生碰撞和散射而產生的,因此增加原子的振動將增加這種散射速率,直到電子無法再傳導電流。

但是在1986年,一類含銅材料被稱為銅氧化物突破了所有規則。銅氧化物的電阻反而隨溫度線性增加,當其中的一些在低于某個溫度閾值(零下211華氏度或零下135攝氏度)冷卻時,它們會轉變成超導體。

這些金屬傳導電流的方式發生了一些非常奇怪的變化。

在奇怪金屬的發現之前,物理學家們將傳統金屬視為由主要是單個電子組成的費米「海」構成的,這些電子逐一攜帶電流。這後來被發展為包括電子之間相互作用的理論,這是物理學家列夫·朗道在1956年提出的,他理論上認為金屬中的電子根據量子糾纏的神秘規則聚集在一起。

這意味著金屬的電子在電流的形式中游泳時,它們并不是離散移動,而是以準粒子的團塊流動。朗道的理論被驚人準確地證明,成為了金屬導電的標準觀點。

然而,奇怪金屬中電阻線性上升的奇怪現象仍然沒有被解釋。為了測試可能發生的情況,新研究背后的研究人員從奇怪金屬鐿、銠和硅的精確混合物中制成了微小的納米導線(每個導線寬200納米,長600納米,大約比細菌小五倍),然后將它們冷卻到接近絕對零度的溫度。

然后,在通過導線傳遞短脈沖電流后,科學家們使用一種被稱為射噪聲的經典現象測量了電子流的波動。作為量子粒子,電子受到隨機的量子力學過程的控制。施加電壓穿過導線,電子內部將在隨機的時間里從一端飛到另一端。

通常,有這麼多的電子參與這個過程,以至于每個電子何時移動的隨機性都被整體電流的涌動所淹沒。

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但通過制造細小的導線和微小的電壓,物理學家可以減少能夠流動的電子數量,并使電流的靜態克拉克爾可見。

「離散電荷在流動方式上有一些統計波動,」研究的資深作者、德克薩斯州萊斯大學物理學教授道格拉斯·納特爾森說。「就像沙粒通過沙漏一樣,平均來說有一個平滑的流動,但如果你仔細看,有時兩個連續的沙粒在時間上靠得很近,而有時則相隔很遠。」如果朗道關于聚集準粒子的理論適用于奇怪金屬,實驗中檢測到的射噪聲應該顯示其電子以離散團塊到達。

但令人震驚的是,電流不是以大片的形式到達納米導線,而是以連續的嘶嘶聲——電流正在通過導線傳導,但似乎與攜帶它的電荷載體不協調。

「想象一下一個擁擠的走廊。在普通的金屬情況下,盡管走廊很擁擠,但一個特定的人(準粒子)可以只在經過時輕微地打擾到周圍的人,」納特爾森解釋說。「在奇怪金屬情況下,走廊更像是一個狂歡區。每個人都在猛烈地擠動,以至于你無法真正追蹤一個個體,但不知何故仍然有一個人順著走廊流動。」現在,一旦觀察到這種奇怪的現象,研究人員表示,通過在其他奇怪金屬中尋找這一現象,他們可能會找到這種奇異材料相的共同「組織原則」,以及一些關于奇怪金屬如何實現超導的關鍵線索。

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