電流像水一樣在“奇怪的金屬”中流動，物理學家不知道為什么

在由“奇怪金屬”制成的納米線上發現了一種奇怪的現象，即電流像水一樣流動，這種奇怪的金屬相困擾了物理學家 40 年。

科學家們發現電流在一組奇怪的金屬中像流體一樣流動，這讓他們感到困惑。

這項實驗是在由一種稱為“奇怪金屬”的奇怪材料制成的納米尺寸電線中進行的，結果表明電流不再以電子團的形式移動，這與物理學家關于金屬行為的最基本假設之一相矛盾。

如果觀測結果正確，它們不僅可以揭示奇怪的金屬（自從近 40 年前金屬被發現以來，奇怪的金屬一直讓物理學家感到困惑），而且可以導致人們重新評估電荷如何攜帶。研究人員于 11 月 23 日在《科學》雜志上發表了他們的研究結果。奇怪的金屬”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的電阻規則，而且有些甚至可以在相對較高的溫度下變成超導體——這意味著它們可以在不產生電流的情況下攜帶電流。任何阻力。

在普通金屬中，電阻率（衡量電流流過材料的難度的指標）隨著溫度的平方而增加，然后在金屬變得非常熱時變平。這具有直觀意義——當金屬中帶電荷的電子在金屬的振動原子結構內碰撞和散射時，就會產生電阻率，因此增加原子的振動會增加這種散射率，直至電子變得無法攜帶電流。

但 1986 年，一類名為銅酸鹽的含銅材料打破了所有規則。相反，銅氧化物的電阻隨溫度線性增加，當其中一些銅氧化物冷卻到某個溫度閾值以下（負211華氏度或負135攝氏度）時，它們就會轉變為超導體。

金屬傳導電流的方式發生了一些非常奇怪的事情。

在發現奇怪的金屬之前，物理學家將傳統金屬視為由費米“海”組成，這些電子主要由單個電子組成，這些電子一一攜帶著電流。后來物理學家列夫·蘭道 (Lev Landau) 將此理論發展到包括電子之間的相互作用，他于 1956 年提出理論：金屬中的電子根據量子糾纏的詭異規則聚集在一起。

這意味著當金屬的電子以電流的形式游動時，它們不會離散地移動，而是以準粒子團的形式流動。事實證明，蘭道的理論極其準確，成為金屬導電方式的標準觀點。

然而，奇怪的金屬電阻的奇怪線性上升仍然無法解釋。為了測試可能發生的情況，這項新研究背后的研究人員用奇怪的金屬鐿、銠和硅的精確混合物制作了微小的納米線（每根寬 200 納米，長 600 納米，大約比細菌小五倍）。將它們冷卻到僅比絕對零度高幾度的溫度。

然后，在電線中流過短暫的電流后，科學家們利用一種稱為散粒噪聲的經典現象測量了電子流的波動。作為量子粒子，電子受到隨機量子力學過程的控制。然后，在一根電線上施加電壓，里面的電子就會隨機地從一端移動到另一端。

通常，參與這一過程的電子太多，以至于每個電子移動時的隨機性被整體電流的踩踏淹沒。但是，通過使電線變小、電壓變小，物理學家可以減少能夠流動的電子數量，并使電流的靜態爆裂聲變得可見。

“離散電荷的流動方式存在一些統計波動，”資深作者、德克薩斯州萊斯大學物理學教授道格拉斯·內特爾森告訴《生活科學》。“就像沙粒穿過沙漏一樣，平均來說，流動是平穩的，但如果你仔細觀察，有時兩個連續的沙粒在時間上很接近，有時則相距較遠。”

如果朗道的聚集準粒子理論適用于奇怪的金屬，那么實驗中檢測到的散粒噪聲應該表明其電子以離散的團塊形式到達。

但令人震驚的是，納米線中的電流不是大量飛濺，而是以連續的嘶嘶聲到達——電流通過電線傳輸，但似乎與傳輸電流的電荷載體不同步。

“想象一下擁擠的走廊。在普通的金屬外殼中，即使走廊很擁擠，一個特定的人（準粒子）也可以通過走廊，而周圍的人經過時只需要受到輕微的干擾，”內特爾森解釋道。“在奇怪的金屬外殼里，走廊更像是一個狂歡坑。每個人都在擠來擠去，以至于你無法真正跟蹤一個人，但不知何故，走廊里仍然有一個人凈流動。”

既然已經觀察到了這種奇怪的現象，研究人員表示，通過在其他奇怪的金屬中尋找它，他們可能會發現奇怪的物質相背后的共同“組織原理”，以及一些關于奇怪的金屬如何實現的關鍵提示。超導。