研究揭示新发现的 “奇怪金属”类型:与黑洞“共享”基本量子属性

2022-01-17 10:19:14 cnBeta.COM
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根据布朗大学科学家们的一项新研究,他们的新发现可以帮助研究人员理解“奇怪金属”,这是一类与高温超导体有关的材料,与黑洞“共享”基本的量子属性。

科学家对温度如何影响大多数日常金属(如铜或银)的导电性能了解得相当清楚。但是近年来,研究人员已经将他们的注意力转向了一类似乎不遵循传统电学规则的材料。了解这些所谓的"奇怪金属"可以提供对量子世界的基本见解,并有可能帮助科学家理解像高温超导这样的奇怪现象。

现在,一个由布朗大学物理学家共同领导的研究小组为奇怪的金属组合增加了一个新的发现。在《自然》杂志上发表的研究中,该小组在一种材料中发现了"奇怪金属"行为,在这种材料中,电荷不是由电子携带,而是由称为库珀对的更多“波状”实体携带。

虽然电子属于一类被称为费米子的粒子,但库珀表现为玻色子时,它遵循与费米子非常不同的规则。这是研究人员第一次在玻色子系统中看到"奇怪金属"行为,他们希望这一发现可能有助于找到对"奇怪金属"如何工作的解释--这一点几十年来一直困扰着科学家。

“我们有这两种根本不同类型的粒子,它们的行为在一个谜团周围汇聚,”布朗大学物理学教授、该研究的通讯作者Jim Valles说。“这说明的是,任何解释奇怪金属行为的理论都不能专门针对这两种类型的粒子。它需要比这更基本。”

“奇怪金属”行为大约在30年前首次在一类叫做铜酸盐的材料中被发现。这些铜氧化物材料因为是高温超导体而最为著名,这意味着它们在远高于普通超导体的温度下以零电阻导电。但是,即使在高于超导临界温度的温度下,与其他金属相比,铜酸盐的行为也很奇怪。

随着温度的升高,铜氧化物的电阻以严格的线性方式增加。在正常的金属中,电阻值增加到目前为止,在高温下变得恒定,这与所谓的费米液体理论相一致。当在金属中流动的电子撞上金属的振动原子结构,导致它们散开时,就会产生电阻。费米液体理论为电子散射的发生设定了一个最大速率。但是“奇怪金属”并不遵循费米-液体规则,而且没有人确定它们是如何工作的。科学家们所知道的是,奇怪金属中的温度-电阻关系似乎与自然界的两个基本常数有关。玻尔兹曼常数,它代表随机热运动产生的能量,以及普朗克常数,它与光子(一种光的粒子)的能量有关。

“为了试图理解在这些奇怪金属中发生的事情,人们已经应用了类似于用于理解黑洞的数学方法,”Valles说。“所以在这些材料中发生了一些非常基本的物理学。”

关于玻色子和费米子

近年来,Valles和他的同事一直在研究电荷载体不是电子的电活动。1952年,诺贝尔奖获得者Leon Cooper发现,在正常的超导体中(不是后来发现的那种高温超导体),电子联合起来形成库珀对,它们可以毫无阻力地在原子晶格中“滑行”。尽管是由两个电子形成的,它们是费米子,但库珀对可以作为玻色子发挥作用。

“费米子和玻色子系统通常表现得非常不同,”Valles说。“与单个费米子不同,玻色子被允许共享相同的量子状态,这意味着它们可以像水分子在波纹中集体移动。”

2019 年,Valles 和他的同事表明,库珀对玻色子可以产生金属行为,这意味着它们可以在一定的电阻下导电。研究人员说,这本身就是一个令人惊讶的发现,因为量子理论的元素表明这种现象不应该是可能的。对于这项最新研究,该团队想看看玻色子库珀对金属是否也是奇异金属。

该团队使用了一种称为钇钡铜氧化物的铜酸盐材料,其图案上带有诱导库珀对金属状态的小孔。该团队将材料冷却至略高于其超导温度,以观察其电导的变化。他们发现,像费米子奇异金属一样,库珀对金属电导与温度呈线性关系。

研究人员表示,这一新发现将为理论家们提供一些新的东西,让他们在试图了解奇怪金属行为时有所了解。

“对于理论家来说,对我们在奇怪金属中看到的东西提出解释是一个挑战,”Valles 说。“我们的工作表明,如果你要模拟奇怪金属中的电荷传输,该模型必须适用于费米子和玻色子——即使这些类型的粒子遵循根本不同的规则。”

最终,奇怪金属的理论可能会产生巨大的影响。研究人员认为,奇怪金属行为可能是理解高温超导性的关键,它在无损电网和量子计算机等领域具有巨大潜力。而且由于奇怪金属的行为似乎与宇宙的基本常数有关,了解它们的行为可以揭示物理世界如何运作的基本事实。

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