Et materiale, der allerede er kendt for sin unikke adfærd, viser sig at bære strøm på en måde, som aldrig før er observeret

Forskere ved Florida State University med hovedkvarter National High Magnetic Field Laboratory har opdaget en adfærd i materialer kaldet cuprates, der tyder på, at de bærer strøm på en måde, der er helt anderledes end konventionelle metaller såsom kobber.

Forskningen, offentliggjort i dag i tidsskriftet Videnskab , tilføjer ny betydning til materialernes betegnelse, "mærkelige metaller."

Cuprater er højtemperatur superledere (HTS), hvilket betyder, at de kan føre strøm uden tab af energi ved noget varmere temperaturer end konventionelle, lavtemperatur superledere (LTS). Selvom videnskabsmænd forstår fysikken i LTS, de har endnu ikke knækket nødden af ​​HTS-materialer. Præcis hvordan elektronerne bevæger sig gennem disse materialer er fortsat det største mysterium på området.

For deres forskning i et specifikt cuprat, lanthan strontium kobberoxid (LSCO), et hold ledet af MagLab-fysiker Arkady Shekhter fokuserede på dets normale, metallisk tilstand - den tilstand, hvorfra superledning til sidst kommer frem, når temperaturen falder lavt nok. Denne normale tilstand af cuprates er kendt som et "mærkeligt" eller "dårligt" metal, dels fordi elektronerne ikke leder elektricitet særlig godt.

Forskere har studeret konventionelle metaller i mere end et århundrede og er generelt enige om, hvordan elektricitet bevæger sig gennem dem. De kalder de enheder, der bærer ladning gennem disse metaller "kvasipartikler, " som i det væsentlige er elektroner efter at have indregnet deres omgivelser. Disse kvasipartikler virker næsten uafhængigt af hinanden, da de bærer elektrisk ladning gennem en leder.

Men forklarer kvasipartikelstrømmen også, hvordan elektrisk strøm bevæger sig i cupraterne? På National MagLab's Pulsed Field Facility i Los Alamos, Ny mexico, Shekhter og hans team undersøgte spørgsmålet. De sætter LSCO i et meget højt magnetfelt, påført en strøm til det, målte derefter modstanden.

De resulterende data afslørede, at strømmen ikke kan, faktisk, rejse via konventionelle kvasipartikler, som det gør i kobber eller doteret silicium. Den normale metalliske tilstand af cupraten, det viste sig, var alt andet end normalt.

"Dette er en ny måde, hvorpå metaller kan lede elektricitet, som ikke er en flok kvasipartikler, der flyver rundt, som er det hidtil eneste velforståede og aftalte sprog, " sagde Shekhter. "De fleste metaller fungerer sådan."

Hvis ikke af kvasipartikler, præcis hvordan bæres ladningen i den mærkelige metalfase af LSCO? Dataene tyder på, at det kan være en form for holdindsats fra elektronerne.

Forskere har i nogen tid kendt til en spændende adfærd hos LSCO:I sin normale ledende tilstand, resistivitet ændres lineært med temperaturen. Med andre ord, når temperaturen stiger, LSCOs modstand mod elektrisk strøm stiger proportionalt, hvilket ikke er tilfældet i konventionelle metaller.

Shekhter og hans kolleger besluttede at teste LSCO's resistivitet, men ved at bruge magnetfelt som parameter i stedet for temperatur. De satte materialet i en meget kraftig magnet og målte resistivitet i felter op til 80 teslaer. (En hospitals-MR-magnet, til sammenligning, genererer et felt på omkring 3 teslaer). De opdagede et andet tilfælde af lineær resistivitet:Efterhånden som styrken af ​​magnetfeltet steg, LSCOs resistivitet steg forholdsmæssigt.

Det faktum, at den lineære-i-felt-resistivitet så elegant afspejlede den tidligere kendte lineære-i-temperatur-resistivitet for LSCO, er meget signifikant, sagde Shekhter.

"Normalt når man ser sådanne ting, det betyder, at det er et meget simpelt princip bag, " han sagde.

Fundet tyder på, at elektronerne ser ud til at samarbejde, når de bevæger sig gennem materialet. Fysikere har i nogen tid troet, at HTS-materialer udviser en sådan "korreleret elektronadfærd" i den superledende fase, selvom den præcise mekanisme endnu ikke er forstået.

Dette nye bevis tyder på, at LSCO i sin normale ledende tilstand også kan føre strøm ved hjælp af noget andet end uafhængige kvasipartikler - selvom det ikke er superledning, enten. Hvad det "noget" er, videnskabsmænd er endnu ikke sikre. At finde svaret kan kræve en helt ny måde at se problemet på.

"Her har vi en situation, hvor intet eksisterende sprog kan hjælpe, " sagde Shekhter. "Vi er nødt til at finde et nyt sprog til at tænke på disse materialer."

Den nye forskning rejser masser af spørgsmål og nogle fristende ideer, herunder ideer om den fundamentalt anderledes måde, hvorpå resistivitet kunne indstilles i cuprates. I konventionelle metaller, forklarede Shekhter, resistivitet kan indstilles på flere måder - forestil dig et sæt urskiver, hvilke som helst kunne justere denne egenskab.

Men i cuprates, Shekhter sagde, "Der er kun en urskive til at justere resistiviteten. Og både temperatur og magnetfelt, på deres egen måde, få adgang til den ene urskive."

Ulige, Ja. Men fra mærkelige metaller, man kunne forvente intet mindre.