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颠覆 60 年物理认知!“怪金属” 改写电流理论,打破电学规则

在大家的常规认知里,电流是电子在金属中流动产生的,每个电子都带着一份单独的电荷。但最近,一种名为 “怪金属” 的材料却打

在大家的常规认知里,电流是电子在金属中流动产生的,每个电子都带着一份单独的电荷。但最近,一种名为 “怪金属” 的材料却打破了这个常规认知,挑战了有着 60 年历史的物理理论。

长久以来,费米液体理论一直是人们理解金属电学性质的重要依据。在一般情况下,电子之间会相互排斥,当一个电子移动时,会影响周围的电子。当这种影响较小时,电子不再单独行动,而是聚集在一起形成电子准粒子。虽然形式变了,但电流依然是由一个个离散的电荷来传导,这些电荷就是电子集体运动的表现。

然而,许多新发现的 “怪金属” 却不遵循这个传统模型。科学家们使用一种叫散粒噪声测量的技术研究发现,在 “怪金属” 里,电子不再是一个个单独行动的个体,它们模糊成了一种连续、无特征的量子流体。这就带来了一个让人困惑的问题:如果不是单个电子传导电流,那到底是什么在起作用呢?

“怪金属” 的出现,冲击了凝聚态物理领域的重要理论 —— 费米液体理论。凝聚态物理主要研究固体材料,而费米液体理论是这个领域的重大成果之一。现在 “怪金属” 的现象无法用它来解释,这促使科学家们去探索新的理论,而这一探索可能会在物理和材料科学领域带来变革性的发现。

“怪金属” 的特性还和高温超导有着紧密联系。高温超导体在正常状态下,表现得和 “怪金属” 很相似。弄清楚 “怪金属” 中与费米液体理论相悖的现象,或许就能揭开高温超导背后隐藏的奥秘。而且,普通金属的电阻变化遵循一定规律,在低温下,电阻变化和温度的平方有关;但 “怪金属” 却不一样,它的电阻在低温下是线性变化的,这进一步说明了它的特殊性。

要研究 “怪金属” 中的电流传导是否是离散的,散粒噪声测量技术很关键。散粒噪声测量的是直流电中的随机波动,就像雨滴落在屋顶上,如果雨滴数量少、个头大,它们不会同时落在屋顶,这种情况下散粒噪声就大;要是雨下得很大,雨滴连成一片,就没有单个雨滴的区别了,散粒噪声就为零。在 “怪金属” 中,情况就类似后者,散粒噪声几乎为零。

不过,测量散粒噪声可不是一件容易的事。金属中原子晶格的振动会干扰电子运动,影响散粒噪声的测量结果。为此,研究人员制作了纳米级别的导线,让电子能快速通过,减少晶格振动的影响。通过实验,在 “怪金属” 镱铑硅(YbRh₂Si₂ )中,科学家们发现这里不存在电子准粒子,电流也不是由离散的电荷传导的,电子就像是失去了自己的特性,融合成了一锅 “量子汤”。

虽然目前的研究有了重大发现,但并非所有物理学家都认同 “怪金属” 中不存在准粒子的结论。不过,这些研究成果已经引发了大量关注,后续还会有更多研究,相信会推动 “怪金属” 相关新理论的发展,让我们对这种神奇的材料有更深入的了解。

参考资料:DOI: 10.1126/science.abq6100