见见奇怪的金属：其中电可以没有电子流动
50年来，物理学家已经将电流理解为一个带电粒子的流动。但一项新的实验已经发现在至少一种奇怪的物质中这种理解崩溃。CONDENSED MATTER PHYSICS
电流流过一类奇怪类金属的不寻常流动挑战我们的携带电荷粒子的教科书理解------因为凡是正在穿梭过这些金属的看起来没有任何像电子一样的东西。Samuel Velasco/Quanta Magazine
ByCharlie Wood
新浪博客
CONDENSED MATTER PHYSICS
电流流过一类奇怪类金属的不寻常流动挑战我们的携带电荷粒子的教科书理解------因为凡是正在穿梭过这些金属的看起来没有任何像电子一样的东西。Samuel Velasco/Quanta Magazine
ByCharlie Wood
Staff Writer
November 27, 2023
经过一年的试错，陈立阳已经设法将一根金属线削成一根只有一个大肠杆菌一半微观的宽度线------细的刚好足够允许一个电流的滴来通过。陈希望这种电流的滴可能帮助安顿一个持续的关于电荷如何穿过一类令人眼花缭乱类的被称为奇怪金属材料的谜团。
当时是研究生的陈和他在莱斯大学的合作者测量了流过他们的原子细金属线的电流。他们发现了它平滑的流动并且均匀的。事实上如此均匀以至于它蔑视物理学家的金属中电的标准概念。
规范上讲，电流从电子的集体运动造成，每个电子都携带一个不可分割的电荷块。但陈的电流的死稳定性隐含了它毕竟不是由单位弄成的。这就像发现一种不知怎的缺乏了单独的可识别的分子液体一样。
虽然这可能听起来古怪的，但这正是一些物理学家从该小组测试的金属期望的，自1980年代以来这种金属与它的不寻常亲戚已经欺骗并困扰了物理学家。哈佛大学专门研究奇怪金属的理论物理学家苏比尔萨奇德芙（Subir Sachdev）说，“这是一件非常美丽的工作”。
上周在《科学》杂志中报告的这一观测又是凡是任何携带电流穿过这些不寻常金属的东西不像任何电子一样东西的最直接的指明之一。这项新实验加强一种新的量子现象正在奇怪金属内发生的怀疑。它还为试图来理解它可能是什么的理论物理学家提供新的有利的事。
伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的物理学家彼得·阿巴蒙特（Peter Abbamonte）说，“奇怪的金属，没有人有任何到底它们正在来自哪里的想法，这曾经被考虑为是一种不便，但现在我们意识到这真的是在这些东西中活着的物质的不同相”。
一把铜酸盐扳手
要开始理解流过奇怪金属的奇异电流，道格拉斯·纳特尔森和他的同事们需要弄清楚哪些电荷单位正在携带电流。Jeff Fitlow/Rice University
物理学家很快意识到，高温超导只是铜酸盐的神秘行为的开始。.
当铜酸盐停止了超导并开始了抵抗时它们变得真的诡异的。随所有金属变暖，电阻增加。更暖的温度意味着原子和电子会更拥挤，随电子穿梭电流过一个材料创造更多引诱阻力的碰撞。在镍等普通金属中，电阻在低温下呈二次方上升------起初缓慢然后越来越快。但在铜酸盐中，它线性的上升：每温暖一度带来相同的电阻中的增加------按奇怪性一种持续了数百度的掩盖了这种材料的超导能力的奇特模式。铜酸盐是研究人员从来见过的最奇怪的金属。
明尼苏达大学（University of Minnesota）的理论物理学家安德烈·丘布科夫（Andrey Chubukov）说，“超导是一只老鼠，大象......是这种奇怪的金属行为”。
电阻中的线性上升威胁到一个电荷如何移动穿过金属的著名的解释。1956年提出的列夫·兰道（Lev Landau）的“费米液体”理论将电子置于这一切的中心。它建立在更早期的为简单性假设了电子携带电流并且电子像一种气体一样穿过一个金属的理论之上，它们在原子之间自由的飞翔彼此之间没有相互作用。
兰道添加了一种处理电子相互作用关键但复杂的事实的方法。它们是负电荷的，这意味着它们恒定的彼此排斥。考虑到粒子之间的这种相互作用将电子气体变成某些一个海洋的东西------现在随一个电子移动穿过电子的流体它扰乱了附近的电子。通过一系列复杂的相互作用，涉及相互排斥，这些现在温和相互作用的电子最终成群旅行------ 在被称为准粒子的团块中。
奇怪的金属，没有人有到底它们正在来自哪里的想法。Peter Abbamonte, University of Illinois, Urbana-Champaign
费米液体理论的奇迹是每个准粒子几乎完全宛如它是一个单一的基本电子一样行为。然而，一个主要的区别是，这些圆斑比一个裸的电子更缓慢或更灵活（取决于材料）的移动，有效的更重或更轻起作用。现在，只通过调整它们的方程中的质量项，物理学家可以继续将电流处理为电子的运动，只是用一个星号指定每个电子真的是一个准粒子团块。
兰道的框架的一个重大胜利是在普通金属中它定下了期中电阻随温度平方上升的复杂方式。电子一样准粒子变成理解金属的标准方法。萨奇德芙说“它在每本教科书中”。
但在铜酸盐中，兰道的理论戏剧性的失败了。电阻以一种纯洁的线而不是标准的二次曲线上升了。长期以来，物理学家已经将这条线解释为铜酸盐对一种新的物理现象是家园。
佛罗里达州立大学的物理学家格雷戈里·博宾格（Gregory Boebinger）说，“你相当多不得不相信大自然要么给你一个线索，要么大自然是难以置信残酷的”，他职业生涯的大部分时间已经花费在研究铜酸盐的线性响应上。“要贴上这样一个可怕的简单和骗人的签名，并且让它物理上是不重要的只是太难以忍受”。
作为一名研究生，陈立阳花了一年时间计算出怎样来制造一种比单个细菌细胞更细的金属线。Courtesy of Liyang Chen
而铜酸盐只是一个开始。自此以来研究人员已经发现了一群有相同诱人线性电阻的不同材料，包括有机“别克噶德盐（Bechgaard salts）”和错位的石墨烯片。随这些“奇怪金属”扩散，科学家们好奇了为什么兰道的费米流体理论似乎在所有这些不同的材料中崩溃了。一些人来怀疑这是因为毕竟没有准粒子，电子不知怎的以一种奇怪的新方式组织起它们自己模糊了任何个性，就像葡萄的离散性质在一瓶酒中丧失了一样。
阿巴蒙特说，“这是一个物质相，在那里一个电子真的没有身份，然而，[一种奇怪的金属]是一种金属，它不知怎的携带着电流”。
但人们不简单的废除电子。对一些科学家，一种潜在的连续电流------一种没有被均分成电子的电流------是太激进的。一些奇怪的金属实验继续来匹配兰道理论的某些预测。持续的争议促使陈的论文导师、莱斯大学的道格拉斯·纳特尔森（Douglas Natelson）和他的同事司启淼（Qimiao Si）一道来考虑他们如何更直接的精查电荷移动穿过一种奇怪金属的解剖。
纳特尔森好奇了“我能测量的会实际上告诉我正在进行的？”
电的解剖
该团队的目标是来解剖一种奇怪金属中的电流。它以电子大小的电荷块而来吗？它毕竟以大块而来吗？为找出他们从一种测量在一个流中波动的经典方法汲取了灵感------“散粒噪声”------如果我们想到一个暴雨期间降雨的方式能被理解的一种现象。
想象你正坐在你的车里，你从一个值得信赖的天气预报知道在接下来的一个小时内将有5毫米的降雨。这 5 毫米就像总电流一样。如果雨水被包裹成一小撮巨大的水滴，当这些水滴击中你的屋顶时中的变化将是高的，有时水滴会背靠背飞溅，有时它们将被间隔开来。在这个案例中，散粒噪声是高的。但如果将同样的 5 毫米雨水散布成一个恒定的微小液滴雾，在到达时间中的变化------因此散粒噪声将是低的。雾气会时时刻刻平滑的交付几乎相同量的水。以这种方式，散粒噪声揭示液滴的大小。
纳特尔森说，“仅仅测量水出现的速度并不能告诉你整个图片，“测量（该速率中）的波动告诉你更多的”。
同样，听电流中的噼啪声能告诉你关于构成它的电荷块。这些块通常是兰道的电子一样准粒子。真的，记录在一个普通金属中的散粒噪声是测量电子基本电荷1.6 × 10^−19 库仑的一种常用方法。
纳特尔森和他的同事用来测量散粒噪声的奇怪金属装置（左），以及陈制作的金属丝的放大图像，该金属丝的跨度仅为数百纳米并连接了两个更大的部分。这些部分中的损坏点是线被附着到一个驱动电流的地方。Liyang Chen
为得到一种奇怪金属的电流的心脏，该团队要测量散粒噪声。但如果电子被一个金属原子晶格中的波推绕着电子散粒噪声能被模糊。为避免这种模糊，研究人员通过线发送电流穿过电线如此短以至于波纹没有时间来影响电子。这些电线需要是纳米级的尺度。
该小组选择用一种由镱、铑和硅制成的特殊金属工作，因为纳特尔森和司的长期合作者维也纳理工大学的希尔可布勒帕斯陈（Silke Bühler-Paschen）已经计算出如何在仅几十纳米厚的薄膜中来生长这种材料。这照顾到一个空间维度。
然后来计算出怎样来取这些薄膜并刻出一根长度和宽度测量只有纳米就落到了陈的身上。
在大约一年的时间里，陈通过用原子有效的喷砂磨损金属测试了不同方法。但在一次又一次的试验中，他发现了由此产生的纳米线遭受原子尺度的破坏，破坏了这种奇怪金属特征的线性电阻。经过数十次尝试，他找到了一个起作用的工艺：他用铬镀了金属，用一股氩气来吹掉除一条有铬保护的奇怪金属细线外的所有，然后用一个盐酸浴剥离掉铬。
如果我们真的认为在那里有一整类金属是我们不了解的，了解这些金属是很重要的。Douglas Natelson, Rice University
最后，陈在春天成功获得了他的博士学位，此后一直从事金融工作，他制作了几条几乎完美无瑕的纳米线。每个大约有600纳米长200纳米宽，比一个红血细胞更窄约50倍。
在将它们冷却到寒冷的个位数开尔文温度后，研究人员让电流通过奇怪的金属纳米线。他们还运行电流通过由普通金制成的纳米线。金线中的电流以熟悉的方式噼啪作响，就像由带电的准粒子组成的电流做的一样------就像肥大的雨滴溅在车顶上一样。但在这种奇怪的金属中，电流平静的滑过纳米线，一种类似于几乎无声的雾气嘶嘶声的效果。这个实验的最直接的解释是这种奇怪金属中的电荷不以电子大小的块状流动。
司说，“实验数据提供强有力的准粒子在奇怪的金属中丢失了的证据”。
然而，并非所有物理学家都完全相信该实验杀死了兰道的准粒子。康奈尔大学（Cornell University）物理学家布拉德·拉姆肖（Brad Ramshaw）说，“这是一个非常大胆的宣称，因此你需要大胆的数据”。
该实验的一个局限性是该小组只测试了一种材料。仅仅因为在陈的镱、铑和硅混合物中的散粒噪声很低，这并不能保证它在其他奇怪金属中的散粒噪声很低。拉姆肖还指出有可能会扭曲电流中的散粒噪声的各种奇怪振动方式的金属环。陈和他的同事们排除了来自更常见的振动的干扰，但一些异域的涟漪可能逃避了他们的注意。
尽管如此，拉姆肖发现这个实验很有说服力。他说，“这强烈地动机人们来尝试做其他事情来看它们是否也与没有电子一致”。
如果不是电子，那又是什么？
如果准粒子图片继续来崩溃，有什么可以取代它？如果不是在电子一样的电荷包中电流如何正在围绕奇怪的金属移动呢？这不是一个容易来描述的情况，更不用放进精确的数学术语。纳特尔森说，“要用什么正确的词汇，如果你不打算谈论关于准粒子？”
当有压力时物理学家们用一个颤抖的比喻响应这个问题。当单个电子消失时会出现什么：它们融合成一个纠缠的量子汤、它们凝结成一个果冻、它们形成了一团四处晃动的泡沫状电荷。厄巴纳-香槟的菲利普·菲利普斯（Philip Phillips）将一种奇怪的金属的电子比作一个轮胎中的橡胶。当橡胶从树上出来时，它的分子排列成单独的串。但在硫化过程中，这些绳子会变形成一个坚固的网。一种新的物质从个体的集合浮现。他说，“你正在得到的某些东西比它的各部分的总和更大，电子本身没有完整性”。
维也纳理工大学（Vienna University of Technology）的西尔克·帕斯陈（Silke Paschen）和莱斯大学的思琪淼（Qimiao Si）已经花了近20年的时间研究当两个量子态争夺一个金属中的主导地位时准粒子消失。Tommy LaVergne/Rice University
为超越模糊的浮现的描述，物理学家需要一个精确的数学描述------一个还没有被发现的奇怪金属的费米流体理论。萨奇德芙在 1990 年代初期帮助开发了一个简单的候选者SYK 模型。它让线性电阻正确的，但它与由真正的原子网格制成的真实材料没有什么要做的。一方面，它没有空间，所有电子都位于一个单一点上，在那里它们随机与比彼此相互作用并变得与所有其他电子纠缠了。
在过去的几年里，萨奇德芙、熨斗研究所的阿维是卡尔帕特尔和他们的合作者一直工作在带空间进 SYK 模型上。他们通过考虑在原子晶格中缺陷------在那里原子已经缺失或额外原子已经出现的点的影响将电子相互作用跨空间散布。这种原子不完美的尘埃造成电子对如何相互作用中的随机变化并变得纠缠了。由此产生的纠缠电子的挂毯有一个线性上升的电阻------这是一种奇怪金属的标志。他们最近也用他们的框架来计算散粒噪声。这些数字与陈的观测相当不匹配，但它们形成相同的质的模式，萨奇德芙说，“所有的趋势都是正确的”。