Et nyt blik på metaller afslører en mærkelig lighed

Vores teoretiske forståelse af den måde, hvorpå metaller leder elektricitet, er ufuldstændig. Den nuværende taksonomi ser ud til at være for sløret og indeholder for mange undtagelser til at være overbevisende. Dette er den konklusion, som materialeforskere fra University of Groningen nåede frem til efter at have grundigt undersøgt den nyere litteratur om metaller. De analyserede mere end 30 metaller og viser, at en simpel formel kan give en klassificering af metaller på en mere systematisk måde. Deres analyse blev offentliggjort i Physical Review B den 29. august.

Metaller leder elektricitet, men ikke alle på samme måde. Forskere adskiller flere klasser af metaller med navne som "korreleret", "normal", "mærkelig" eller "annonce". Metaller i disse klasser adskiller sig f.eks. på den måde, at deres resistivitet reagerer på stigende temperaturer. "Vi var interesserede i metaller, der kunne skifte fra leder til isolator og omvendt," forklarer Beatriz Noheda, professor i funktionelle nanomaterialer ved Universitetet i Groningen. Hun er videnskabelig direktør ved CogniGron forskningscenter, som udvikler materialecentrerede systemparadigmer til kognitiv databehandling. "Til dette formål vil vi gerne lave materialer, der ikke kun kan være isolatorer eller ledere, men som også kan ændre sig mellem disse stater."

Noget uventet

Da hun og hendes kolleger studerede litteraturen om metalresistivitet, fandt hun, at afgrænsningen mellem forskellige klasser af metaller ikke var entydig. "Så vi besluttede at se på en stor prøve af metaller." Qikai Guo - tidligere postdoc-forsker i Nohedas team og nu ved School of Microelectronics ved Shandong University, Kina - og deres kolleger fra University of Zaragoza (Spanien) og CNRS (Frankrig) brugte ændringen i resistivitet ved stigende temperaturer som et værktøj til at sammenligne mere end 30 metaller, dels baseret på litteraturdata og dels baseret på deres egne målinger.

"Teorien siger, at resistivitetsreaktionen er dikteret af spredning af elektroner, og at der er forskellige spredningsmekanismer ved forskellige temperaturer," forklarer Noheda. For eksempel findes der ved meget lave temperaturer en kvadratisk stigning, som siges at være resultatet af elektron-elektronspredning. Alligevel viser nogle materialer ("mærkelige" metaller) en streng lineær adfærd, som endnu ikke er forstået. Man mente, at elektron-fononspredning fandt sted ved højere temperaturer, og dette resulterer i en lineær stigning. Spredningen kan dog ikke øges i det uendelige, hvilket betyder, at mætning bør ske ved en bestemt temperatur. "Alligevel viser nogle metaller ingen mætning inden for det målbare temperaturområde, og disse blev omtalt som 'dårlige' metaller," siger Noheda.

Da Noheda og hendes kolleger analyserede reaktionerne fra de forskellige typer metaller på stigende temperaturer, løb Noheda og hendes kolleger ind i noget uventet:"Vi kunne tilpasse alle datasættene med den samme type formel." Dette viste sig at være en Taylor-udvidelse, hvor resistiviteten r beskrives som r =r₀ + A₁ T + A₂ T ² + A₃ T ³ ..., hvor T er temperaturen, mens r₀ og de forskellige A-værdier er forskellige konstanter. "Vi fandt ud af, at kun at bruge et lineært og et kvadratisk udtryk er nok til at give en meget god pasform for alle metallerne," forklarer Noheda.

Mere gennemsigtig

I papiret er det vist, at adfærden i forskellige typer metaller er bestemt af den relative betydning af A₁ og A₂ og i størrelsesordenen r₀ . Noheda siger:"Vores formel er en rent matematisk beskrivelse, uden nogen fysikantagelser, og afhænger kun af to parametre." Det betyder, at de lineære og kvadratiske regimer ikke beskriver forskellige mekanismer, såsom elektron-fonon og elektron-elektron spredning, de repræsenterer blot det lineære (gennem inkohærent spredning, hvor fasen af ​​elektronbølgen ændres af spredningen) og ikke -lineært kohærent (hvor fasen er uændret) bidrag til spredningen.

På denne måde kan én formel beskrive resistiviteten for alle metaller - hvad enten de er normale, korrelerede, dårlige, mærkelige eller andet. Fordelen er, at alle metaller nu kan klassificeres på en enkel måde, der er mere gennemsigtig for ikke-eksperter. Men denne beskrivelse bringer også en anden belønning:Den viser, at det lineære spredningsudtryk ved lave temperaturer (kaldet Planckisk spredning) dukker op i alle metaller. Denne universalitet er noget, som andre allerede havde antydet, men denne formel viser tydeligt, at dette faktisk er tilfældet.

Noheda og hendes kolleger er ingen metalspecialister. "Vi kom uden for feltet, hvilket betød, at vi havde et nyt blik på dataene. Det, der gik galt, er efter vores mening, at folk ledte efter mening og koblede mekanismer til de lineære og kvadratiske termer. Måske nogle af konklusionerne uddraget på denne måde skal revideres. Det er velkendt, at teorien på dette felt er ufuldstændig." Noheda og hendes kolleger håber, at teoretiske fysikere nu vil finde en måde at genfortolke nogle af de tidligere resultater takket være den formel, de fandt. "Men i mellemtiden giver vores rent fænomenologiske beskrivelse os mulighed for at sammenligne metaller fra forskellige klasser." + Udforsk yderligere

Eksotiske elektron-elektron-interaktioner fundet unødvendige for ledning i nikkelater