只有大肠杆菌宽度的一半，「奇怪金属」电流流动和你想的不一样

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2023-11-30 04:11

选自量子杂志

机器之心编译

编辑：陈萍、佳琪

50 年来，物理学家一直把电流理解为带电粒子的流动。但一项新的实验发现，至少在一种奇怪的物质中，这种理解是不成立的。

长期以来，物理学家将电流视为带电粒子（如电子）的流动。然而，最新的实验显示，在一种被称为「奇怪金属（strange metal）」的特殊金属中，这种理解可能不适用。这些金属中的电流流动方式与电子无关，这一发现可能暗示着一种新的量子现象。

这项研究基于对电流流动的细致观察，特别是通过测量电流中的「散粒噪声（ Shot noise，由于离散电荷的运动所形成的电流引起的随机噪声）」来分析电流的组成。

这些发现表明，在奇怪金属中，电流可能不是由电子大小的电荷块组成的，这与费米液体理论中的准粒子概念相悖。目前，物理学家正在探索新的理论和模型来解释这些观察结果，但对这些现象的确切性质尚无共识。

在正式介绍这项研究之前，我们先来了解什么是奇怪金属。

这是一个在凝聚态物理学中用来描述某些特殊金属材料的术语。这些金属的电子行为与传统金属截然不同，表现出一些非常规的物理性质。下面是关于奇怪金属的一些关键点：

非费米液体行为：在常规金属中，电子的行为可以通过费米液体理论来描述，其中电子表现出类似于非相互作用粒子的特性。然而，在奇怪金属中，这些电子的行为偏离了费米液体理论的预测，因此被称为非费米液体。
温度依赖性：奇怪金属的电阻率通常与温度线性相关，而在常规金属中，电阻率与温度的关系通常是二次的。这种线性温度依赖性是奇怪金属的一个显著特征。
超导性与量子临界点：许多奇怪金属在低温下表现出超导性。此外，它们通常与量子临界点有关，即材料在其中一种相（如磁性）与另一种相（如非磁性）之间的转变点。
理论挑战：奇怪金属的行为挑战了现有的物理理论，特别是在理解非费米液体行为和与量子临界性相关的现象方面。科学家们正在努力发展新的理论模型来更好地解释这些材料的性质。
在高温超导体中的作用：奇怪金属的研究与对高温超导体的理解密切相关。高温超导体在某些方面表现出奇怪金属的特性，这使得研究这些材料对于解开高温超导的秘密至关重要。

研究介绍

参与这项研究的 Liyang Chen，研究开始时还是一名研究生，他与莱斯大学的合作者经过一年的反复试验，成功地将一根金属线打造成一根大肠杆菌一半宽度的细丝 —— 这种细丝薄到足以让电流通过。

Liyang Chen 花了一年的时间研究如何制造比单个细菌细胞还细的金属丝。

实验中，研究人员使用的是由镱、铑和硅制成的奇怪金属。现有技术已经可以将这种材料制成厚度仅为几十纳米的薄膜。在此基础上，Chen 又研究出如何利用这些薄膜雕刻出一条长宽仅为纳米的金属丝。

在一次又一次的试验中，Chen 发现由于纳米导线受到了原子级的破坏，导致这种奇怪金属特有的线性电阻也被破坏了。经过数十次尝试后，他终于找到了一种有效的方法：在金属上镀铬，用氩气流将镀过铬的奇怪金属切割成极细的一条，再用盐酸将铬剥离。

最终，Chen 成功研制出了少量几乎完美的纳米导线。每根导线长约 600 纳米，宽约 200 纳米，比红细胞窄约 50 倍。

经过测量通过这种金属纳米线的电流，发现电流流动非常平稳和均匀，甚至达到了不像是由电荷单元（如电子）构成的程度。这一发现支持了一些物理学家的预期，即奇怪金属中的电流传导可能涉及新的量子现象

哈佛大学的理论物理学家 Subir Sachdev 对这项研究给予了高度评价，认为它非常精彩。这一观察结果发表在《科学》（Science）杂志上，是迄今为止表明奇怪金属中的电流传导机制可能与电子截然不同的最直接证据之一。这项新实验增强了关于奇怪金属内部可能出现新的量子现象的怀疑，并为理论物理学家们提供了新的思路，以便理解这种可能的现象。

总的来说，这项研究为理解奇怪金属提供了新的视角，表明这些材料中的电流传导机制可能与我们目前的认知有很大不同，对凝聚态物理学的理论和实验研究都有重要意义。

解剖电流

这部分内容描述了研究团队如何通过测量散粒噪声来分析奇怪金属中的电流性质。他们发现，在奇怪金属中，电流不是由电子大小的电荷块组成的。

1986 年，物理学家 Georg Bednorz 和 Karl Alex Müller 发现了高温超导体，这一发现震撼了整个物理界。与常见的金属（如锡和汞）不同，这些材料即使在相对温暖的温度下也能完美地传导电流。Bednorz 和 Müller 在一种铜氧化物（cuprate）中测量了电阻，并发现在相对较高的 35 开尔文温度下电阻消失。这一突破性发现让他们在一年后获得了诺贝尔奖。

随后，物理学家们意识到，高温超导性只是铜氧化物（cuprates）神秘行为的开始。研究团队的目标是解析奇怪金属中的电流。他们想知道，电流是否由电子大小的电荷块组成，或者它是否根本就不是由块状结构组成的。为了找出答案，他们从一种经典的测量流动波动的方法中获得灵感 —— 散粒噪声（shot noise）。这种现象可以通过思考雨水如何在暴雨中落下来理解。

假设你坐在车里，天气预报告诉你未来一小时将有 5 毫米的雨量。这 5 毫米的雨量就像总电流一样。如果这些雨水被划分成几滴巨大的雨滴，那么这些雨滴击中你车顶的时间变化会很大，有时雨滴会连续落下，有时则间隔较长。在这种情况下，散粒噪声会很高。但如果同样的 5 毫米雨量分散成持续的细雨小滴，那么落雨时间的变化（因此散粒噪声）将会很低。细雨会平稳地在每一刻几乎输送相同量的水。通过这种方式，散粒噪声揭示了水滴的大小。

莱斯大学的 Natelson 指出，仅仅测量水（在这里指电流）到达的速率并不能完全揭示整个情况。类似地，通过监听电流中的噼啪声（即电流的波动），也可以了解构成电流的电荷块的特性。

上图左边是 Natelson 和他的同事们用来测量奇怪金属中散粒噪声的装置，右边是由 Chen 制作的导线放大后的图像。导线的跨度只有数百纳米，连接着两个较大的部分，这些部分间的损坏点是让电流通过的导线连接点。

为了探究奇怪金属中电流流动的问题核心，研究小组希望测量散粒噪声。研究发现，一旦电子被金属原子晶格中的波纹推来推去，电子的散粒噪声就会被掩盖。为了避免这种干扰，研究人员使用非常短的导线来发送电流，这样波纹还来不及影响电子，电流就已经通过了。因此，导线的尺寸必须精细到纳米级。

最终，Chen 研制出的纳米导线比红细胞窄约 50 倍。

在将导线冷却到个位数开尔文的低温后，研究人员给导线通电。为了对比，他们也给常用的金纳米导线通电。金纳米导线中的电流发出了熟悉的噼里啪啦的响声，带电的准粒子电流就如同大颗大颗溅在车顶上的雨滴一样。

奇怪金属中的电流传导出现了一个特殊现象。在奇怪金属中，电流在纳米线中悄无声息的平静地流动，这种效果类似于细雾几乎无声的嘶嘶声。这种现象的最直接解释是，奇怪金属中的电荷不是以电子大小的块状形式流动的。这意味着与传统金属中电子作为明显的电荷载体不同，奇怪金属中的电流可能由一种不同的、更为细微的电荷形式组成，这些电荷形式可能不像电子那样容易被单独识别。这一现象表明奇怪金属的电子行为与常规金属有着显著差异，可能涉及新的量子现象。

康奈尔大学的物理学家 Brad Ramshaw 表示：「这是一个非常大胆的观点。」

在奇怪金属中，如果电流不是在像电子一样的电荷包中移动，那么它是如何移动的呢？这个情况很难描述，更难以用精确的数学术语表达。

目前，关于奇怪金属的理论研究仍然处于发展阶段，存在多种不同的理论模型和假设。

虽然物理学家们还没有就奇怪金属内部电荷如何消解，甚至是否真的消解达成共识，但他们决心找出答案。Natelson 表示，如果真的存在我们还不理解的一整类金属，那么理解这些金属就显得非常重要。

原文链接：https://www.quantamagazine.org/meet-strange-metals-where-electricity-may-flow-without-electrons-20231127/

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来源: qq

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