作者:布朗大学
信用:CC0公共领域
科学家非常了解温度如何影响大多数日常金属如铜或银的电导
但近年来，研究人员将注意力转向了一类似乎不遵循传统电学规则的材料
了解这些所谓的“奇怪金属”可以提供对量子世界的基本见解，并有可能帮助科学家理解像高温超导这样的奇怪现象
现在，一个由布朗大学物理学家共同领导的研究小组为这种奇怪的金属混合物增加了一项新发现
在发表在《自然》杂志上的研究中，研究小组在一种材料中发现了奇怪的金属行为，在这种材料中，电荷不是由电子携带的，而是由更像“波”的叫做库珀对的实体携带的
虽然电子属于一类叫做费米子的粒子，但库珀对就像玻色子一样，遵循着与费米子截然不同的规则
这是第一次在玻色子系统中发现奇怪的金属行为，研究人员希望这一发现可能有助于找到奇怪金属工作原理的解释——这是科学家们几十年来一直困惑的事情
“我们有这两种根本不同类型的粒子，它们的行为围绕着一个谜团汇聚，”布朗大学物理学教授、该研究的相应作者吉姆·巴雷斯说
“这说明任何解释奇怪金属行为的理论都不能针对任何一种粒子
它需要比这更基本
" 奇怪的金属 大约30年前，在一种叫做铜酸盐的材料中首次发现了奇怪的金属行为
这些氧化铜材料以高温超导体而闻名，这意味着它们在远高于普通超导体的温度下以零电阻导电
但是，即使在高于超导临界温度的温度下，与其他金属相比，铜酸盐的行为也很奇怪
随着温度的升高，铜酸盐的电阻以严格的线性方式增加
在普通金属中，电阻只增加到目前为止，在高温下变得恒定，这符合所谓的费米液体理论
当金属中流动的电子撞击金属振动的原子结构，导致电子散射时，电阻就产生了
费米液体理论设定了电子散射发生的最大速率
但是奇怪的金属不遵循费米液体规则，没有人知道它们是如何工作的
科学家们确实知道的是，奇怪金属中的温度-电阻关系似乎与自然界的两个基本常数有关:玻尔兹曼常数和普朗克常数，玻尔兹曼常数代表随机热运动产生的能量，普朗克常数与光子(光的粒子)的能量有关
巴雷斯说:“为了试图了解这些奇怪的金属中发生了什么，人们采用了类似于理解黑洞的数学方法。”
“所以在这些材料中有一些非常基本的物理现象
" 玻色子和费米子 近年来，巴雷斯和他的同事们一直在研究电荷载流子不是电子的电活动
1952年，诺贝尔奖得主、现为布朗大学物理学荣誉退休教授的利昂·库珀发现，在普通超导体(不是后来发现的高温超导体)中，电子组队形成库珀对，可以无阻力地滑过原子晶格
尽管库珀对是由两个费米子组成的，但它们可以充当玻色子
“费米子和玻色子系统通常表现得非常不同，”巴雷斯说
“与单个费米子不同，玻色子被允许共享相同的量子态，这意味着它们可以像水波涟漪中的水分子一样集体运动。”
" 2019年，巴雷斯和他的同事证明了库珀对玻色子可以产生金属行为，这意味着它们可以在一定的电阻下导电
研究人员说，这本身就是一个令人惊讶的发现，因为量子理论的元素表明这种现象不应该是可能的
对于这项最新的研究，研究小组想看看玻色子铜对金属是否也是奇怪的金属
研究小组使用了一种叫做钇钡铜氧化物的铜酸盐材料，这种材料带有微小的孔洞，这些孔洞会诱发铜对金属态
研究小组将这种材料冷却到略高于其超导温度，以观察其电导的变化
他们发现，像费米子的奇异金属一样，库珀对金属电导与温度成线性关系
研究人员表示，这一新发现将为理论家们提供一些新的东西，供他们在试图理解奇怪的金属行为时咀嚼
巴雷斯说:“对于理论家来说，为我们在奇怪金属中看到的东西提出一个解释是一个挑战。”
“我们的工作表明，如果你要对奇怪金属中的电荷传输进行建模，这个模型必须同时适用于费米子和玻色子——尽管这些类型的粒子遵循根本不同的规则
" 最终，一种奇怪金属的理论可能会有巨大的影响
奇怪的金属行为可能是理解高温超导的关键，高温超导在无损电网和量子计算机等方面具有巨大的潜力
因为奇怪的金属行为似乎与宇宙的基本常数有关，理解它们的行为可以揭示物理世界如何工作的基本事实
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