新发现的“奇异金属”——一种与黑洞共享基本量子特征的物质

一项新发现可以帮助科学家了解“奇异金属”，这是一类与高温超导体相关的材料，并且与黑洞具有基本的量子特性。

科学家们非常了解温度如何影响大多数日常金属（如铜或银）的电导率。 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气规则的材料。 了解所谓的“奇异金属”可以提供对量子世界的基本见解，并可能帮助科学家了解高温超导等奇异现象。

现在，由布朗大学物理学家领导的一个研究小组为这种奇怪的矿物质混合物增添了新的发现。 在该杂志发表的一项研究中 脾气本性该团队在一种材料中发现了奇怪的金属行为，其中电荷不是由电子携带，而是由称为库珀对的“波状”实体携带。

虽然电子属于一类称为费米子的粒子，但库珀对充当玻色子，遵循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有助于找到奇怪金属如何工作的解释——这是科学家们几十年来一直未能解决的问题。

使用一种称为钇钡铜氧化物的材料，内衬有小孔，研究人员在一种电荷载流子是玻色子的系统中检测到了“奇怪的金属”行为，这是他们以前从未见过的。 学分：布朗大学

“我们有这两种完全不同的粒子，它们的行为围绕着一个谜团，”布朗大学物理学教授、该研究的通讯作者吉姆瓦利斯说。 “这就是说，任何解释奇怪金属行为的理论都不能特定于任何一种粒子。它必须比这更基本。”

外来金属

大约 30 年前，在一种叫做铜酸盐的材料中首次发现了这种奇怪的金属行为。 这些氧化铜材料因是高温超导体而臭名昭著，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，铜酸盐的表现也很奇怪。

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，电阻只增加到现在，根据所谓的费米流体理论在高温下变得稳定。 当电子在振动金属的原子结构中发生金属爆炸时，会产生电阻，导致其散射。 费米流体理论规定了电子散射可以发生的最大速率。 但是外来矿物不遵循费米流体的规则，没有人知道它们是如何工作的。 科学家们所知道的是，外来金属的温度-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，代表随机热运动的能量，普朗克常数，与光子的能量有关。 （一粒光）。

“为了试图了解这些奇异矿物中发生了什么，人们已经应用了类似于用于理解黑洞的数学方法，”瓦利斯说。 “所以这些材料中有一些非常基本的物理学。”

玻色子和费米子

近年来，Vallis 和他的同事一直在研究电荷载流子不是电子的电活动。 1952 年，诺贝尔奖获得者、现任布朗大学名誉教授的莱昂·库珀发现，在普通超导体（不是后来发现的高温型）中，电子合作形成库珀对，它们可以无阻力地滑过原子晶格。 尽管由两个电子（费米子）组成，库珀对可以充当玻色子。

“费米子和玻色子系统通常表现得非常不同，”瓦利斯说。 “与单个费米子不同，玻色子可以共享相同的量子态，这意味着它们可以像水分子一样集体移动。”

2019 年，Vallis 及其同事表明，库珀玻色子可以产生金属行为，这意味着它们可以在一定程度的电阻下导电。 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是不可能的。 在这项最新研究中，该团队想查明玻色子库珀对矿物是否也是外来矿物。

该团队使用了一种名为钇钡铜氧化物的铜材料，该材料装饰有小孔，可催化库珀对的金属状态。 该团队将材料冷却至略高于超导温度，以观察其电导率的变化。 他们发现，与奇异的费米金属一样，库珀对的金属电导率与温度呈线性关系。

研究人员表示，这一新发现将给理论家们一些新的东西来咀嚼，因为他们试图了解这种金属的奇怪行为。

“理论家很难对我们在异国矿物中看到的东西提出解释，”瓦利斯说。 “我们的工作表明，如果你要模拟外来金属中的电荷传输，该模型应该适用于费米子和玻色子——即使这些类型的粒子遵循根本不同的规则。”

最终，奇异金属理论可能会产生巨大的影响。 这种奇怪的金属行为可能是理解高温超导性的关键，它在无损能源网络和量子计算机等领域具有巨大的潜力。 由于外来金属的行为似乎与宇宙的基本常数有关，因此了解它们的行为可以阐明物理世界如何运作的基本事实。

参考：赵洋、刘海文、刘伟、王建东、邱冬、王思诚、王阳、何倩梅、李秀丽、彭丽、唐悦、王健的《波索尼系统中奇异金属的特征》， XC Xie、James M. Valles Jr、Jie Xiong 和 Yanrong Li，2022 年 1 月 12 日，在此处可用。 脾气本性.
DOI: 10.1038 / s41586-021-04239-y