“奇异金属”导电特性令人困惑

参考消息网12月6日报道 据美国趣味科学网站12月2日报道，科学家发现电流在一组奇怪的金属中像液体一样流动，这让他们大惑不解。

这项实验是在纳米大小的导线中进行的，而这种导线由一组叫做“奇异金属”的奇怪材料制成。实验表明电不再以电子团块的形式移动，这与物理学家关于金属行为一个非常基本的假设相矛盾。

如果观察结果正确，那么它们不仅可以增进人们对奇异金属的理解(这些金属自从近40年前被发现以来一直困扰着物理学家)，而且还将使人们重新评估电荷的携带方式。研究人员11月23日在美国《科学》周刊上发表了研究结果。

奇异金属是一种量子材料，具有一些真正奇怪的特性：它们不仅无视普通金属的电阻规则，而且有些奇异金属甚至可以在相对较高的温度下成为超导体，这意味着它们可以在没有任何电阻的情况下携带电流。

在普通金属中，电阻率(测量电流通过材料的困难程度)随着温度平方的升高而增加，直到金属变得炽热时趋于稳定。

但在1986年，一种叫做铜酸盐的含铜材料打破了所有规则。铜酸盐的电阻率随温度线性增加，当其中一些铜酸盐被冷却到某个温度阈值(零下135摄氏度)时，它们就会变成超导体。

这些金属携带电流的方式非常奇怪。

在发现奇异金属之前，物理学家认为，传统的金属由主要是单个电子的费米“海洋”组成，这些电子一个接一个传输电流。后来，物理学家列夫·兰道深化了这种观点，纳入电子的相互作用。他在1956年提出一套理论，认为金属中的电子根据量子纠缠的怪异规则聚集在一起。

这意味着当金属的电子以电流的形式游动时，它们不是离散地运动，而是以准粒子团块的形式流动。兰道的理论被证明极其准确，成为关于金属如何导电的标准观点。

为了测试奇异金属可能发生的情况，研究人员用奇异金属镱、铑和硅的精确混合物，制作了微小的纳米线(每条宽200纳米，长600纳米，大约是细菌大小的五分之一)，将它们冷却到比绝对零度高几度的温度。

然后，让电流短暂地通过这些纳米线后，科学家利用被称为“散粒噪声”的经典现象测量电子流的波动。作为量子粒子，电子受随机量子力学过程的支配。在电线上施加电压后，里面的电子就会随机地从一端滑到另一端。

通常，有太多的电子参与这个过程，以至于每个电子移动的随机性被整个电流的蜂拥而动淹没了。但是，使用微小导线和微量电压时，物理学家可以减少能够流动的电子数量。

如果兰道的团块准粒子理论适用于奇异金属，那么在实验中检测到的散粒噪声应该显示，电子以离散团块的形式到达。

但令人震惊的是，纳米线中的电流并没有产生大的飞溅，而是发出持续的嘶嘶声——电流正在通过纳米线，但它似乎与用来传输电流的载流子不同步。

研究论文资深作者、赖斯大学物理学教授道格拉斯·纳特尔森解释说：“想象一下拥挤的走廊。在普通金属的情况下，即使走廊很拥挤，一个人(准粒子)在通过走廊时，身边的人仅会受轻微的干扰。在奇异金属的情况下，走廊更像摇滚舞池。人们推推搡搡，以至于你无法真正跟上某一个人的脚步，最终有一个人穿过大厅。”

现在这种奇怪的现象已经得到观测。研究人员说，通过在其他奇异金属中寻找这种现象，他们可能会发现这种奇怪物相背后的共同“组织原理”，以及关于奇异金属如何实现超导性的一些关键提示。