一种新的奇异金属 高温超导性潜力巨大

Daphane

来源：原理

科学家已经非常了解温度会如何影响像铜或银等大多数日常金属的导电性。但近年来，研究人员已经将注意力转向了一类似乎不遵循传统电学规则的材料，也就是所谓的奇异金属。　　在一项发表于《自然》杂志的研究中，研究团队在一种材料中发现了奇异金属行为，这种材料中的电荷不是由电子携带的，而是由两个电子结合而成的库珀对所携带。这是科学家首次在玻色子体系中看到奇异金属的行为。


　　玻色子和费米子  


　　1952年，诺贝尔奖得主利昂·库珀（Leon Cooper）发现，在正常的超导体（而不是之后发现的那种高温超导体）中，电子会联合起来形成库珀对，它们可以毫无阻力地在原子晶格中滑行。
　　虽然电子属于一类被称为费米子的粒子，但库珀对却是以玻色子的方式行事，遵循着与费米子截然不同的规则。玻色子和费米子的体系通常表现得非常不同。


费米子与玻色子的主要区别。


　　费米子遵循泡利不相容原理，也就是说，在费米子组成的系统中，两个或两个以上的费米子不能占据相同的量子态。
　　但是，玻色子却没有这样的限制。因此，玻色子被允许共享相同的量子态，这也意味着，它们可以像水分子在波纹中那样集体移动。


　　奇异金属  


　　奇异金属行为最早是在约30年前在一类叫作铜氧化物的材料中发现的。这些铜氧化物材料因为是高温超导体而为人所知，也就是说，它们可以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，铜氧化物的行为也很奇怪。
　　随着温度升高，铜氧化物的电阻会以严格的线性方式增加。在正常的金属中，电阻只增加到一定程度，而在高温下变得恒定，这与所谓的费米液体理论一致。
　　当在金属中流动的电子撞上金属的振动原子结构，导致它们散开时，电阻就会产生。费米液体理论为电子散射的发生设定了一个最大速率。但奇异金属并不遵循这种费米液体规则，而且还没有人能确定它们是如何运作的。
　　科学家知道的是，奇怪金属中的温度与电阻的关系似乎与自然界的两个基本常数有关，分别是玻尔兹曼常数（它代表随机热运动产生的能量），以及普朗克常数（它与光子的能量有关）。
　　为了理解在这些奇异金属中发生的事情，人们已经应用了类似于用来理解黑洞的数学方法。换句话说，在这些材料中一定发生了一些关于非常基本的物理学的事情。


　　玻色子奇异金属  


　　2019年，科学家已经证实，库珀对玻色子可以产生金属行为，也就是说，它们能以一定的阻力导电。研究人员认为这本身就是一个惊人的发现，因为量子理论的要素表明，这种现象应该是不可能的。
　　在这项最新的研究中，团队想了解玻色子库珀对金属是否也是奇异金属。他们使用了一种叫作钇钡铜氧（YBCO）的铜氧化物材料，这种材料上有诱导库珀对金属态的空穴。



纳米图案化的YBCO薄膜的扫描电子显微镜图像。12纳米厚的纳米图案化的YBCO薄膜是利用直接放置在YBCO上面的阳极氧化铝（AAO）膜通过反应离子刻蚀制造的。通过应离子刻蚀，直径约70纳米、周期约103纳米的三角孔阵列的AAO图案被复制到了YBCO薄膜上。| 图片来源：Yang et al。 / Nature （2021）
　　他们将材料冷却到略高于其超导温度的状态，观察它的电导变化。结果发现，与费米子奇异金属一样，库珀对金属的电导与温度呈线性关系。


　　基本的理论见解



对理论学家来说，为奇怪金属中观察到的行为找到理论解释一直是一项挑战。而这项发现表明，如果要模拟奇异金属中的电荷传输，这个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上不同的规则。
　　奇异金属行为也很有可能是理解高温超导性的关键，而高温超导性已经在许多方面表现出了巨大潜力。
　　而且，奇异金属行为似乎也与一些基本常数有关，了解它们的行为或许也能揭示出更多物理世界的基本原理。