Μια νέα ανακάλυψη θα μπορούσε να βοηθήσει τους επιστήμονες να κατανοήσουν τα «εξωτικά μέταλλα», μια κατηγορία υλικών που σχετίζονται με υπεραγωγούς υψηλής θερμοκρασίας και που μοιράζονται βασικές κβαντικές ιδιότητες με τις μαύρες τρύπες.
Οι επιστήμονες κατανοούν καλά πώς η θερμοκρασία επηρεάζει την ηλεκτρική αγωγιμότητα στα περισσότερα καθημερινά μέταλλα όπως ο χαλκός ή το ασήμι. Όμως τα τελευταία χρόνια, οι ερευνητές έχουν στρέψει την προσοχή τους σε μια κατηγορία υλικών που δεν φαίνεται να ακολουθούν τους παραδοσιακούς ηλεκτρικούς κανόνες. Η κατανόηση των λεγόμενων «εξωτικών μετάλλων» θα μπορούσε να προσφέρει θεμελιώδεις γνώσεις για τον κβαντικό κόσμο και πιθανώς να βοηθήσει τους επιστήμονες να κατανοήσουν εξωτικά φαινόμενα όπως η υπεραγωγιμότητα σε υψηλή θερμοκρασία.
Τώρα, μια ερευνητική ομάδα με επικεφαλής έναν φυσικό στο Πανεπιστήμιο Μπράουν πρόσθεσε μια νέα ανακάλυψη στο περίεργο μείγμα ορυκτών. Σε έρευνα που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό ιδιοσυγκρασία φύσηΗ ομάδα βρήκε περίεργη μεταλλική συμπεριφορά σε ένα υλικό στο οποίο το ηλεκτρικό φορτίο δεν μεταφέρεται από ηλεκτρόνια, αλλά από οντότητες που μοιάζουν με κύμα που ονομάζονται ζεύγη Cooper.
Ενώ τα ηλεκτρόνια ανήκουν σε μια κατηγορία σωματιδίων που ονομάζονται φερμιόνια, τα ζεύγη Cooper λειτουργούν ως μποζόνια που ακολουθούν πολύ διαφορετικούς κανόνες από τα φερμιόνια. Αυτή είναι η πρώτη φορά που παρατηρείται περίεργη μεταλλική συμπεριφορά σε ένα σύστημα μποζονίων και οι ερευνητές ελπίζουν ότι η ανακάλυψη θα είναι χρήσιμη για την εύρεση μιας εξήγησης για το πώς λειτουργούν τα περίεργα μέταλλα – κάτι που διέφευγε τους επιστήμονες για δεκαετίες.
Χρησιμοποιώντας ένα υλικό που ονομάζεται οξείδιο του χαλκού υττρίου-βαρίου επενδεδυμένο με μικροσκοπικές τρύπες, οι ερευνητές εντόπισαν “παράξενη” συμπεριφορά μετάλλου σε έναν τύπο συστήματος όπου οι φορείς φορτίου είναι μποζόνια, κάτι που δεν είχαν ξαναδεί. Πίστωση: Πανεπιστήμιο Brown
“Έχουμε αυτούς τους δύο θεμελιωδώς διαφορετικούς τύπους σωματιδίων των οποίων οι συμπεριφορές συγκλίνουν γύρω από ένα αίνιγμα”, δήλωσε ο Jim Vallis, καθηγητής φυσικής στο Brown και αντίστοιχος συγγραφέας της μελέτης. “Αυτό που λέει αυτό είναι ότι οποιαδήποτε θεωρία που εξηγεί την περίεργη μεταλλική συμπεριφορά δεν μπορεί να είναι συγκεκριμένη για οποιοδήποτε είδος σωματιδίου. Πρέπει να είναι πιο θεμελιώδης από αυτό.”
εξωτικά μέταλλα
Η παράξενη μεταλλική συμπεριφορά ανακαλύφθηκε για πρώτη φορά πριν από περίπου 30 χρόνια σε μια κατηγορία υλικών που ονομάζονται cuprates. Αυτά τα υλικά οξειδίου του χαλκού είναι διαβόητα ως υπεραγωγοί υψηλής θερμοκρασίας, πράγμα που σημαίνει ότι αγώγουν ηλεκτρισμό με μηδενική αντίσταση σε θερμοκρασίες πολύ υψηλότερες από αυτές των συνηθισμένων υπεραγωγών. Αλλά ακόμη και σε θερμοκρασίες πάνω από την κρίσιμη θερμοκρασία για την υπεραγωγιμότητα, τα χαλκούλια συμπεριφέρονται περίεργα σε σύγκριση με άλλα μέταλλα.
Καθώς η θερμοκρασία του αυξάνεται, η αντίσταση του χαλκού αυξάνεται με αυστηρά γραμμικό τρόπο. Στα συνηθισμένα μέταλλα, η αντίσταση αυξάνεται μόνο μέχρι στιγμής, καθιστώντας σταθερή σε υψηλές θερμοκρασίες σύμφωνα με αυτό που είναι γνωστό ως η θεωρία του ρευστού Fermi. Η αντίσταση προκύπτει όταν τα ηλεκτρόνια ρέουν σε μια μεταλλική έκρηξη στην ατομική δομή ενός δονούμενου μετάλλου, προκαλώντας τη διασπορά του. Η θεωρία ρευστού Fermian καθορίζει τον μέγιστο ρυθμό με τον οποίο μπορεί να συμβεί η σκέδαση ηλεκτρονίων. Αλλά τα εξωτικά ορυκτά δεν ακολουθούν τους κανόνες του ρευστού Fermi και κανείς δεν είναι σίγουρος πώς λειτουργούν. Αυτό που γνωρίζουν οι επιστήμονες είναι ότι η σχέση θερμοκρασίας-αντίστασης στα εξωτικά μέταλλα φαίνεται να σχετίζεται με δύο θεμελιώδεις σταθερές της φύσης: τη σταθερά Boltzmann, που αντιπροσωπεύει την ενέργεια από τυχαία θερμική κίνηση και τη σταθερά Planck, που σχετίζεται με την ενέργεια του φωτονίου. (ένα σωματίδιο φωτός).
«Για να προσπαθήσουμε να καταλάβουμε τι συμβαίνει σε αυτά τα εξωτικά ορυκτά, οι άνθρωποι έχουν εφαρμόσει μαθηματικές προσεγγίσεις παρόμοιες με αυτές που χρησιμοποιούνται για την κατανόηση των μαύρων τρυπών», είπε ο Vallis. «Έτσι, υπάρχει κάποια πολύ βασική φυσική σε αυτά τα υλικά».
από μποζόνια και φερμιόνια
Τα τελευταία χρόνια, ο Vallis και οι συνεργάτες του μελετούν την ηλεκτρική δραστηριότητα στην οποία οι φορείς φορτίου δεν είναι ηλεκτρόνια. Το 1952, ο νομπελίστας Leon Cooper, τώρα Ομότιμος Καθηγητής στο Πανεπιστήμιο Brown, ανακάλυψε ότι σε συνηθισμένους υπεραγωγούς (όχι στον τύπο υψηλής θερμοκρασίας που ανακαλύφθηκε αργότερα), τα ηλεκτρόνια συνεργάζονται για να σχηματίσουν ζεύγη Cooper, τα οποία μπορούν να ολισθαίνουν μέσα από ένα ατομικό πλέγμα χωρίς αντίσταση. Παρά το γεγονός ότι αποτελούνται από δύο ηλεκτρόνια, τα οποία είναι φερμιόνια, τα ζεύγη Cooper μπορούν να λειτουργήσουν ως μποζόνια.
«Τα συστήματα φερμιονίων και μποζονίων συνήθως συμπεριφέρονται πολύ διαφορετικά», είπε ο Vallis. «Σε αντίθεση με τα μεμονωμένα φερμιόνια, τα μποζόνια επιτρέπεται να μοιράζονται την ίδια κβαντική κατάσταση, πράγμα που σημαίνει ότι μπορούν να κινούνται συλλογικά όπως τα μόρια του νερού σε κυματισμούς».
Το 2019, ο Vallis και οι συνεργάτες του έδειξαν ότι τα μποζόνια Cooper μπορούν να παράγουν μεταλλική συμπεριφορά, που σημαίνει ότι μπορούν να φέρουν ηλεκτρισμό με κάποιο βαθμό αντίστασης. Οι ερευνητές λένε ότι από μόνο του ήταν μια εκπληκτική ανακάλυψη, επειδή στοιχεία της κβαντικής θεωρίας δείχνουν ότι αυτό το φαινόμενο δεν θα έπρεπε να είναι δυνατό. Σε αυτήν την πιο πρόσφατη έρευνα, η ομάδα ήθελε να ανακαλύψει εάν τα ορυκτά του ζεύγους βοσνικών Cooper ήταν επίσης εξωτικά ορυκτά.
Η ομάδα χρησιμοποίησε ένα υλικό χαλκού που ονομάζεται οξείδιο του χαλκού υττρίου βαρίου που είναι διακοσμημένο με μικροσκοπικές οπές που καταλύουν τη μεταλλική κατάσταση του ζεύγους Cooper. Η ομάδα ψύξε το υλικό ακριβώς πάνω από τη θερμοκρασία του υπεραγώγιμου για να παρατηρήσει αλλαγές στην αγωγιμότητά του. Βρίσκουν, όπως τα εξωτικά φερμιανικά μέταλλα, μια μεταλλική αγωγιμότητα του ζεύγους Cooper που είναι γραμμική με τη θερμοκρασία.
Οι ερευνητές λένε ότι αυτή η νέα ανακάλυψη θα δώσει στους θεωρητικούς κάτι νέο για να μασήσουν καθώς προσπαθούν να κατανοήσουν την περίεργη συμπεριφορά του μετάλλου.
«Ήταν δύσκολο για τους θεωρητικούς να βρουν μια εξήγηση για αυτό που βλέπουμε στα εξωτικά ορυκτά», είπε ο Vallis. «Η δουλειά μας δείχνει ότι αν πρόκειται να μοντελοποιήσετε τη μεταφορά φορτίου σε εξωτικά μέταλλα, αυτό το μοντέλο θα πρέπει να ισχύει τόσο για τα φερμιόνια όσο και για τα μποζόνια — παρόλο που αυτοί οι τύποι σωματιδίων ακολουθούν θεμελιωδώς διαφορετικούς κανόνες».
Τελικά, η θεωρία του εξωτικού μετάλλου θα μπορούσε να έχει τεράστιες επιπτώσεις. Η παράξενη μεταλλική συμπεριφορά θα μπορούσε να κρατήσει το κλειδί για την κατανόηση της υπεραγωγιμότητας υψηλής θερμοκρασίας, η οποία έχει τεράστιες δυνατότητες για πράγματα όπως τα δίκτυα ενέργειας χωρίς απώλειες και οι κβαντικοί υπολογιστές. Επειδή η συμπεριφορά των εξωτικών μετάλλων φαίνεται να σχετίζεται με τις θεμελιώδεις σταθερές του σύμπαντος, η κατανόηση της συμπεριφοράς τους μπορεί να ρίξει φως σε βασικά στοιχεία για το πώς λειτουργεί ο φυσικός κόσμος.
Αναφορά: «Υπογραφές περίεργου μετάλλου στο σύστημα Bosoni» των Zhao Yang, Haiwen Liu, Wei Liu, Jian Dong Wang, Dong Qiu, Sichuang Wang, Yang Wang, Qianmei He, Xiuli Li, Peng Li, Yue Tang, Jian Wang, XC Xie , James M. Valles Jr, Jie Xiong and Yanrong Li, 12 Ιανουαρίου 2022, Διαθέσιμο εδώ. ιδιοσυγκρασία φύση.
DOI: 10.1038 / s41586-021-04239-y