Блог

Aug 07, 2023

Физика

Токопроводящая способность так называемых странных металлов противоречит известным законам электричества. Теперь у Аавишка Пателя из Института Флэтайрон в Нью-Йорке и его коллег есть объяснение, почему

Токопроводящая способность так называемых странных металлов противоречит известным законам электричества. Теперь у Аавишка Пателя из Института Флэтайрон, Нью-Йорк, и его коллег есть объяснение, почему [1]. Они говорят, что результат может помочь ученым найти новые материалы, обладающие высокотемпературной сверхпроводимостью, предварительным состоянием которой является странная металличность.

Если вы нагреете медную пластину, ее электрическое сопротивление (насколько материал противодействует прохождению электрического тока) будет увеличиваться пропорционально квадрату температуры. Но если к этой меди добавить немного кислорода, лантана и бария, поведение внезапно изменится. Полученный купратный материал не имеет электрического сопротивления при очень низких температурах, но по мере того, как он становится более горячим, сопротивление увеличивается линейно с температурой, что делает его более плохим проводником, чем обычный металл, такой как медь. Другие свойства материала также аномальны, в том числе его способность поглощать тепло и переносить быстро колеблющийся электрический ток. «Но изменение удельного сопротивления является самым поразительным», — говорит Патель.

Ученые впервые обнаружили эти странности сопротивления в 1986 году, но они изо всех сил пытались объяснить их происхождение. В прошлом году эксперименты подтвердили теорию, объясняющую поведение нулевого сопротивления (сверхпроводимость) в купратах. Теперь у теоретиков есть объяснение тенденции линейного сопротивления (странной металличности), наблюдаемой в купратах и ​​других материалах (см. «Точка зрения: Графен раскрывает свою странную сторону»).

Чтобы понять, почему странные металлы являются худшими проводниками, чем обычные, Патель и его коллеги обратились к электронам материалов — переносчикам электрического тока. Команда предположила, что для того, чтобы материал имел большее сопротивление при более низких температурах, электроны должны двигаться медленнее. Но почему?

Одной из возможных причин, по мнению команды, было увеличение количества столкновений между электронами, которые теоретически должны замедлять частицы, приводя к повышению сопротивления. Участившиеся столкновения действительно могут изменить импульсы отдельных электронов. Но команда обнаружила, что это изменение само по себе не влияет на сопротивление, поскольку общий импульс – так называемый импульс центра масс – остается неизменным. Некоторые электроны замедляются, а другие ускоряются, поэтому «просто увеличение количества столкновений не поможет», говорит Патель.

Другая возможность, которую рассматривала команда, заключалась в неоднородности потенциального энергетического ландшафта материала. Команда показала, что перемещение по такой «ухабистой местности» меняет импульс центра масс электронов, независимо от того, сталкиваются они или нет. Но зависящее от температуры удельное сопротивление в этом сценарии соответствует тому, что наблюдается у обычных металлов, а не у необычных. «Мы поняли, что происходит что-то еще», — говорит Патель.

Этим чем-то еще оказалась запутанность. Смоделировав электроны в сильно запутанном состоянии, команда обнаружила, что на ухабистой местности сила запутывания электронов варьируется в зависимости от того, в каком месте материала оно произошло. Эта неоднородность запутанности добавляет случайности как к импульсам электронов, так и к частоте, с которой они сталкиваются (чем сильнее локальная запутанность, тем чаще происходят столкновения).

Теперь вместо того, чтобы все течь в одном направлении через материал, электроны движутся во всех направлениях. Эта неравномерность вызывает гораздо большее падение импульса центра масс, чем то, которое наблюдается при коллективном движении электронов. Это также меняет температурную зависимость соответствующего сопротивления так, что она становится линейной, наблюдаемой в экспериментах. «Эта игра запутанности и неоднородности — новый эффект», — говорит Патель. «Раньше это не рассматривалось, несмотря на то, что установить связь было относительно просто».

«Эта работа дает свежий и новый взгляд на очень важную проблему», — говорит Рафаэль Фернандес, теоретик конденсированного состояния из Университета Миннесоты, изучающий коллективное поведение электронов в неупорядоченных системах. «Они не только находят этот универсальный механизм поведения странного металла, который не зависит от каких-либо материальных деталей, но также обеспечивают концептуальный прогресс в том, как думать о взаимодействии электронов в сильно коррелированных материалах. Это красиво."