Натискання перемикача на будь-якому електричному пристрої запускає оркестр заряджених частинок, що крокують у такт напруги в ланцюзі. Але нове відкриття в екзотичних матеріалах, відомих як дивні метали, виявило, що електрика не завжди рухається в ногу з часом і може насправді іноді витікати таким чином, що змушує фізиків сумніватися в тому, що ми знаємо про природу частинок.
Дослідження проводилися на нанодротах, виготовлених із точного балансу ітербію, родію та кремнію (YbRh2 Si2). Провівши серію квантових вимірювальних експериментів на цих нанодротах, дослідники зі США та Австрії знайшли докази, які можуть допомогти вирішити дискусію щодо природи електричних струмів у металах, які не поводяться традиційним чином.
Виявлені наприкінці минулого століття в класі сполук на основі міді, відомих тим, що не мають стійкості до струмів при відносно високих температурах, дивні метали стають більш стійкими до електрики, коли вони нагріваються, як і будь-який інший метал. Тільки вони роблять це досить дивним чином, збільшуючи опір на задану величину з кожним градусом підвищення температури. У звичайних металах опір змінюється залежно від температури, виходячи на плато, коли матеріал стає досить гарячим.
Цей контраст у правилах опору свідчить про те, що струми в дивних металах діють не зовсім однаково. З якоїсь причини те, як частинки, що несуть заряд, у дивних металах взаємодіють зі штовханням навколишніх частинок, відрізняється від слалому електронів у вашій середній смужці дроту.
Те, що ми могли б уявити як струм негативно заряджених сфер, що котяться крізь трубку з атомів міді, є трохи складнішим. Зрештою, електрика є квантовою справою, з характеристиками ряду частинок, які гармонійно поводяться як окремі одиниці, відомі як квазічастинки.
Питання про те, чи однакові типи квазічастинок пояснюють незвичайну поведінку опору дивних металів, залишається відкритим, оскільки деякі теорії та експерименти припускають, що такі квазічастинки можуть втратити свою цілісність за відповідних обставин. Щоб з’ясувати, чи існує постійний рух квазічастинок у потоці електронів у дивних металах, дослідники використали явище, яке називається дробовим шумом.
Якби ви могли сповільнити час до повзання, фотони світла, випромінювані навіть найточнішим лазером, вискакували б і бризкали з усією передбачуваністю, як шиплячий беконний жир. Цей «шум» є ознакою квантової ймовірності, і він може служити мірою зернистості зарядів, коли вони протікають через провідник.
«Ідея полягає в тому, що якщо я запускаю струм, він складається з групи дискретних носіїв заряду», — каже старший автор Даг Нательсон, фізик з Університету Райса в США.
«Вони прибувають із середньою швидкістю, але іноді вони бувають ближче один до одного в часі, а іноді вони далі один від одного».
Команда виявила, що показники пострілового шуму в їх надтонкому зразку YbRh2 Si2 були сильно пригнічені таким чином, що типова взаємодія між електронами та їх середовищем не могла пояснити, що свідчить про те, що квазічастинки, ймовірно, не були залучені.
Натомість заряд був більш схожим на рідину, ніж струми у звичайних металах, і це відкриття підтверджує модель, запропоновану понад 20 років тому автором Qimiao Si, фізиком конденсованих середовищ з Університету Райса. Теорія Сі про матеріали, що наближаються до нульових температур, описує те, як електрони в окремих місцях більше не мають спільних характеристик, які дозволяли б їм утворювати квазічастинки.
Хоча звичайну поведінку квазічастинок можна попередньо виключити, команда не зовсім впевнена в тому, яку форму приймає цей «рідкий» струм, і навіть чи його можна знайти в інших дивних металевих рецептах.
«Можливо, це доказ того, що квазічастинки не є чітко визначеними речами або їх просто немає, і заряд рухається складнішими способами. Ми повинні знайти правильний словник, щоб говорити про те, як заряд може рухатися колективно», — каже Нательсон. Джерело