Недавние открытия странных металлов ставят под сомнение классическую теорию о том, что электрический ток представляет собой поток дискретных зарядов, переносимых электронами. Эти материалы демонстрируют новое поведение, при котором электричество переносится не отдельными электронами, а квантовой жидкостью, что бросает вызов стандартной модели жидкости Ферми, которая более 60 лет служила основой для понимания металлов.
Электрический ток и теория жидкости Ферми
Традиционно мы понимаем электричество как движение электронов, которые несут дискретные, квантованные заряды. Однако электроны в металле естественно отталкиваются друг от друга, и когда один электрон начинает двигаться, он нарушает облако соседних электронов. Эти возмущения могут быть достаточно малыми, чтобы электроны стали двигаться не поодиночке, а коллективно, образуя электронные квазичастицы.
Хотя электроны могут вести себя как квазичастицы, электрический ток продолжает переноситься дискретными зарядами. Теория жидкостей Ферми объясняет это явление как взаимодействие индивидуальных электронов, что является краеугольным камнем в физике металлов на протяжении десятилетий. Однако странные металлы не следуют этой модели.
Что происходит в странных металлах?
В этих материалах электрическая проводимость не переносится дискретными электронами. Вместо этого электроны ведут себя как частицы в квантовой жидкости. С помощью метода, называемого измерением дробового шума, исследователи обнаружили, что электроны в странных металлах не действуют изолированно, а создают непрерывный квантовый поток.
Возникает фундаментальный вопрос: если ток не переносится отдельными электронами, то как он переносится? Открытие странных металлов заставляет физиков пересматривать существующие теории и искать новые подходы к объяснению этого необычного явления.
Связь с высокотемпературной сверхпроводимостью
Одним из наиболее захватывающих аспектов этих открытий является их связь с высокотемпературной сверхпроводимостью. Многие высокотемпературные сверхпроводники, находящиеся в своем нормальном, несверхпроводящем состоянии, ведут себя как странные металлы. Это открытие может привести к пониманию скрытых механизмов, стоящих за сверхпроводимостью, и, возможно, откроет новые пути для разработки сверхпроводников, которые работают при более высоких температурах.
Экспериментальные данные и трудности измерений
Одним из основных методов для проверки теории о переносе тока является использование измерения дробового шума, который помогает определить, передаются ли заряды дискретно или непрерывно. Этот метод измеряет случайные колебания тока, которые возникают из-за того, что ток состоит из потока дискретных зарядов. Если электроны ведут себя как непрерывная квантовая жидкость, дробовой шум должен быть минимальным, или вообще отсутствовать.
Измерить дробовой шум в металлах — задача не из простых. Вибрации решетки атомов могут помешать получению точных данных. Чтобы преодолеть эту проблему, исследователи создали наноразмерные провода, через которые электроны движутся настолько быстро, что не успевают почувствовать влияние колебаний решетки.
Эксперименты на металле YbRh₂Si₂ предоставили убедительные доказательства того, что в этом материале нет квазичастиц, и электрический ток не переносится дискретными зарядами. Это открытие подтверждает гипотезу о квантовой жидкости и ставит под сомнение существующие теории о переносе электричества.
Будущее исследований
Это открытие вызывает резонанс в научном сообществе и открывает новые перспективы для теоретической физики и материаловедения. Странные металлы могут стать важным объектом исследования в ближайшие годы, а результаты этих исследований могут привести к революционным открытиям в области электрического транспорта и сверхпроводимости.
Источник: https://scitechdaily.com/defying-60-years-of-physics-strange-metals-break-the-rules-of-electricity/
Больше интересного – на медиапортале https://www.cta.ru/