Kaotiske elektroner følger grænsen i mærkelige metaller

Elektroner i metaller forsøger at opføre sig som lydige bilister, men de ender mere som kofangerbiler. De kan være hensynsløse bilister, men en ny Cornell-ledet undersøgelse bekræfter, at dette kaos har en grænse fastsat af kvantemekanikkens love.

Holdets papir, "T-lineær resistivitet fra en isotropisk planckisk spredningshastighed, "skrevet i samarbejde med forskere ledet af Louis Taillefer fra University of Sherbrooke i Canada, udgivet 28. juli i Natur . Avisens hovedforfatter er Gael Grissonnanche, en postdoc ved Kavli Instituttet ved Cornell for Nanoscale Science.

Metaller bærer elektrisk strøm, når elektroner alle bevæger sig sammen i tandem. I de fleste metaller, såsom kobber og guld, der bruges til elektriske ledninger, elektronerne forsøger at undgå hinanden og flyder i forening. Imidlertid, i tilfælde af visse "mærkelige" metaller, denne harmoni brydes, og elektroner spreder energi ved at hoppe af hinanden i den hurtigst mulige hastighed. Kvantemekanikkens love spiller i det væsentlige rollen som en elektrontrafikbetjent, dikterer en øvre grænse for, hvor ofte disse kollisioner kan forekomme. Forskere har tidligere observeret denne grænse for kollisionshastigheden, også kendt som "Planckian grænsen, "men der er ingen konkret teori, der forklarer, hvorfor grænsen skulle eksistere, det var heller ikke kendt, hvordan elektroner når denne grænse i mærkelige metaller. Så Ramshaw og hans samarbejdspartnere satte sig for at måle det omhyggeligt.

"empirisk set vi har vidst, at elektroner kun kan hoppe ind i hinanden så hurtigt. Men vi aner ikke hvorfor " sagde Brad Ramshaw, Dick &Dale Reis Johnson assisterende professor ved College of Arts and Sciences, og avisens seniorforfatter. "Før, 'Planckian-grænsen' blev på en måde udledt af data ved hjælp af meget simple modeller. Vi lavede en meget omhyggelig måling og beregning og viste, at det virkelig bliver overholdt helt ned til de fine detaljer. Og vi fandt ud af, at det er isotropt, så det er det samme for elektroner, der bevæger sig i alle retninger. Og det var en stor overraskelse."

Forskerne fokuserede deres undersøgelse på en kobberoxid-baseret højtemperatur-superleder kendt som en cuprat. Arbejder med samarbejdspartnere på National High Magnetic Field Laboratory i Tallahassee, Florida, de indførte en prøve af cupratmetal i en 45-tesla hybridmagnet – som har verdensrekorden for at skabe det højeste kontinuerlige magnetfelt – og registrerede ændringen i prøvens elektriske modstand, mens de skiftede magnetfeltets vinkel. Ramshaws team brugte derefter det meste af to år på at skabe numerisk dataanalysesoftware til at udtrække de relevante oplysninger.

Overraskende nok, de var i stand til at analysere deres data med de samme relativt simple ligninger, der blev brugt for konventionelle metaller, og de fandt ud af, at cupratmetallets elektroner adlød den planckske grænse.

"Denne tilgang, som vi brugte, skulle være for naiv, " sagde Grissonnanche. "For videnskabsmænd på området, det er ikke indlysende på forhånd, at dette skal virke, men det gør det. Så med denne nye opdagelse, vi har slået to fluer med ét smæk:Vi har udvidet gyldigheden af ​​denne simple tilgang til mærkelige metaller, og vi har målt den Planckske grænse nøjagtigt. Vi låser endelig op for gåden bag de intense bevægelser af elektroner i mærkelige metaller."

"Det ser ikke ud til at afhænge af detaljerne i materialet i særdeleshed, " sagde Taillefer. "Så det må være noget, der næsten er som et altoverskyggende princip, ufølsom over for detaljer."

Ramshaw mener, at andre forskere nu kan bruge denne beregningsramme til at analysere en bred klasse af eksperimentelle problemer og fænomener. Trods alt, hvis det virker i mærkelige metaller, det burde virke på mange andre områder.

Og måske er de mærkelige metaller lidt mere velordnede end tidligere antaget.

"Du har disse vildt komplicerede mikroskopiske ingredienser og kvantemekanik og så, ude på den anden side, du får en meget simpel lov, som er spredningshastigheden afhænger kun af temperaturen og intet andet, med en hældning, der er lig med naturens fundamentale konstanter, som vi kender, " sagde han. "Og at fremkomsten af ​​noget simpelt fra så komplicerede ingredienser er virkelig smukt og overbevisende."

Sådanne opdagelser kan også muliggøre en dybere forståelse af forbindelserne mellem kvantesystemer og lignende fænomener i gravitation, såsom fysikken i sorte huller – faktisk, bygge bro over kvantemekanikkens svimlende lille verden og deres "dobbelte" teorier i generel relativitetsteori, to grene af fysikken, som videnskabsmænd har forsøgt at forene i næsten et århundrede.

Medforfattere inkluderer ph.d.-studerende Yawen Fang og forskere fra Université de Sherbrooke i Canada, University of Texas i Austin, National High Magnetic Field Laboratory og University of Warwick i Storbritannien.