Щелчок переключателя на любом электрическом устройстве запускает марширующий оркестр заряженных частиц, шагающий в такт напряжению в цепи. Но новое открытие экзотических материалов, известных как странные металлы, показало, что электричество не всегда движется в ногу и даже иногда может истекать странным образом, что заставляет физиков подвергать сомнению то, что мы знаем о природе частиц. Это исследование было опубликовано в журнале Science.
Исследование проводилось на нанопроволоках, изготовленных из точного баланса иттербия, родия и кремния (Yb Rh2 Si).
Проведя серию экспериментов по квантовым измерениям на этих нанопроводах, исследователи из США и Австрии обнаружили доказательства, которые могут помочь разрешить спор о природе электрических токов в металлах, которые ведут себя нетрадиционным образом.
Обнаруженные в конце прошлого века в классе соединений на основе меди, известных своей неустойчивостью к токам при относительно высоких температурах, странные металлы становятся более устойчивыми к электричеству при нагревании, как и любой другой металл.
Только делают они это довольно странным образом, увеличивая сопротивление на определенную величину на каждый градус повышения температуры.
В обычных металлах сопротивление варьируется в зависимости от температуры и выходит на плато, когда материал становится достаточно горячим.
Этот контраст в правилах сопротивления предполагает, что токи в странных металлах действуют по-разному. По какой-то причине способ, которым несущие заряд частицы в странных металлах взаимодействуют с толчком окружающих частиц, отличается от слалома электронов в обычной полоске проволоки.
То, что мы могли бы представить как поток отрицательно заряженных сфер, катящихся по трубке из атомов меди, немного сложнее. В конце концов, электричество — это квантовое явление, характеристики которого согласованы между собой и ведут себя как отдельные единицы, известные как квазичастицы.
Вопрос о том, объясняют ли одни и те же виды квазичастиц необычное поведение сопротивления странных металлов, остается открытым, при этом некоторые теории и эксперименты предполагают, что такие квазичастицы могут потерять свою целостность при определенных обстоятельствах.
Чтобы выяснить, существует ли устойчивое движение квазичастиц в потоке электронов в странных металлах, исследователи воспользовались явлением, называемым дробовым шумом.
Если бы вы могли замедлить время до ползания, фотоны света, излучаемые даже самым точным лазером, взрывались бы и распылялись бы с той же предсказуемостью, что и шипящий жир из бекона. Этот «шум» является характеристикой квантовой вероятности и может служить мерой детализации зарядов при их прохождении через проводник.
«Идея состоит в том, что если я управляю током, то он состоит из группы дискретных носителей заряда», — говорит старший автор Дуг Нательсон, физик из Университета Райса в США. «Они приходят со средней скоростью, но иногда они оказываются ближе друг к другу во времени, а иногда — дальше друг от друга».
Команда обнаружила, что дробовой шум в их сверхтонком образце Yb Rh2 Si2 был сильно подавлен таким образом, что его нельзя было объяснить типичными взаимодействиями между электронами и их окружением, что позволяет предположить, что квазичастицы, вероятно, здесь не задействованы.
Вместо этого заряд был более жидким, чем токи в обычных металлах, и это открытие подтверждает модель, предложенную более 20 лет назад автором Цимяо Си, физиком конденсированного состояния из Университета Райса.
Теория Си о материалах, температура которых приближается к нулю градусов, описывает, как электроны в определенных местах больше не имеют общих характеристик, которые позволили бы им образовывать квазичастицы.
Хотя обычное поведение квазичастиц можно предварительно исключить, команда не совсем уверена в том, какую форму принимает этот «жидкий» ток, и даже можно ли его обнаружить в других странных рецептах металлов.
«Возможно, это свидетельство того, что квазичастицы не являются четко определенными вещами или что их просто нет, а заряд движется более сложным образом. Нам нужно найти правильный словарь, чтобы говорить о том, как заряд может двигаться коллективно», — говорит Нательсон.
