của Đại học Brown
Hình ảnh:Vật liệu hai chiều
Các nhà khoa học hiểu khá rõ nhiệt độ ảnh hưởng đến độ dẫn điện của hầu hết các kim loại hàng ngày như đồng hoặc bạc như thế nào. Nhưng trong những năm gần đây, các nhà nghiên cứu đã chuyển sự chú ý của họ đến một loại vật liệu dường như không tuân theo các quy tắc điện truyền thống. Hiểu được cái gọi là "kim loại lạ" này có thể cung cấp những hiểu biết cơ bản về thế giới lượng tử và có khả năng giúp các nhà khoa học hiểu được các hiện tượng kỳ lạ như hiện tượng siêu dẫn nhiệt độ cao.
Giờ đây, một nhóm nghiên cứu do một nhà vật lý của Đại học Brown đồng dẫn đầu đã có thêm một phát hiện mới về hỗn hợp kim loại kì lạ. Trong nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature, nhóm nghiên cứu đã tìm thấy hành vi kim loại kỳ lạ trong một vật liệu trong đó điện tích được mang không phải bởi các electron mà bởi các thực thể "giống sóng" hơn được gọi là cặp Cooper.
Trong khi các electron thuộc về một lớp hạt được gọi là fermion, thì các cặp Cooper hoạt động như các boson, tuân theo các quy tắc rất khác với các fermion. Đây là lần đầu tiên người ta thấy hành vi kỳ lạ của kim loại trong một hệ thống bosonic, và các nhà nghiên cứu hy vọng rằng khám phá này có thể hữu ích trong việc tìm ra lời giải thích cho cách hoạt động của kim loại lạ - điều mà các nhà khoa học đã bỏ qua trong nhiều thập kỷ.
Jim Valles, giáo sư vật lý tại Brown và là tác giả của nghiên cứu cho biết: “Chúng ta có hai loại hạt khác nhau về cơ bản mà các hành vi của chúng hội tụ xung quanh một bí ẩn. Điều này nói lên rằng bất kỳ lý thuyết nào để giải thích hành vi kỳ lạ của kim loại đều không thể dành riêng cho một trong hai loại hạt. Nó cần phải cơ bản hơn thế."
Kim loại lạ
Hành vi kỳ lạ của kim loại lần đầu tiên được phát hiện vào khoảng 30 năm trước trong một lớp vật liệu được gọi là cốc. Các vật liệu đồng oxit này nổi tiếng nhất là siêu dẫn nhiệt độ cao, có nghĩa là chúng dẫn điện với điện trở bằng 0 ở nhiệt độ cao hơn nhiều so với chất siêu dẫn thông thường. Nhưng ngay cả ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ tới hạn đối với tính siêu dẫn, cuprat hoạt động một cách kỳ lạ so với các kim loại khác.
Khi nhiệt độ của chúng tăng lên, điện trở của cuprat tăng lên theo kiểu tuyến tính nghiêm ngặt. Trong các kim loại bình thường, điện trở chỉ tăng cho đến nay, trở nên không đổi ở nhiệt độ cao theo lý thuyết chất lỏng Fermi. Lực cản xuất hiện khi các electron chạy trong một va chạm kim loại vào cấu trúc nguyên tử dao động của kim loại, làm cho chúng phân tán. Lý thuyết chất lỏng Fermi đặt ra tốc độ tối đa mà tại đó sự tán xạ điện tử có thể xảy ra. Nhưng các kim loại lạ không tuân theo quy tắc Fermi-lỏng, và không ai chắc chúng hoạt động như thế nào. Những gì các nhà khoa học biết là mối quan hệ nhiệt độ-điện trở trong các kim loại lạ dường như có liên quan đến hai hằng số cơ bản của tự nhiên: hằng số Boltzmann, đại diện cho năng lượng được tạo ra bởi chuyển động nhiệt ngẫu nhiên và hằng số Planck,
Valles cho biết: “Để cố gắng hiểu điều gì đang xảy ra trong những kim loại kỳ lạ này, người ta đã áp dụng các phương pháp toán học tương tự như phương pháp dùng để hiểu các lỗ đen. "Vì vậy, có một số vật lý rất cơ bản xảy ra trong những vật liệu này."
Của boson và fermion
Trong những năm gần đây, Valles và các đồng nghiệp của ông đã nghiên cứu hoạt động điện trong đó hạt tải điện không phải là electron. Năm 1952, người đoạt giải Nobel Leon Cooper, hiện là giáo sư vật lý danh dự của Brown, đã phát hiện ra rằng trong các chất siêu dẫn bình thường (không phải loại nhiệt độ cao được phát hiện sau này), các electron hợp lại để tạo thành các cặp Cooper, có thể lướt qua một mạng nguyên tử mà không có điện trở. . Mặc dù được hình thành bởi hai electron, là các fermion, các cặp Cooper có thể hoạt động như các boson.
Hệ thống Fermion và boson thường hoạt động rất khác nhau, Valles nói. "Không giống như các fermion riêng lẻ, các boson được phép chia sẻ cùng một trạng thái lượng tử, có nghĩa là chúng có thể chuyển động tập thể giống như các phân tử nước trong các gợn sóng."
Vào năm 2019, Valles và các đồng nghiệp của ông đã chỉ ra rằng các boson cặp Cooper có thể tạo ra hành vi kim loại, có nghĩa là chúng có thể dẫn điện với một số lượng điện trở. Các nhà nghiên cứu nói rằng bản thân nó đã là một phát hiện đáng ngạc nhiên, bởi vì các yếu tố của lý thuyết lượng tử cho rằng hiện tượng này không thể xảy ra. Đối với nghiên cứu mới nhất này, nhóm nghiên cứu muốn xem liệu các kim loại kết hợp giữa bosonic Cooper có phải là kim loại lạ hay không.
Nhóm nghiên cứu đã sử dụng vật liệu cuprate gọi là ôxít đồng bari yttrium có hoa văn với các lỗ nhỏ tạo ra trạng thái kim loại cặp Cooper. Nhóm nghiên cứu đã làm lạnh vật liệu xuống ngay trên nhiệt độ siêu dẫn của nó để quan sát những thay đổi về độ dẫn của nó. Họ đã tìm thấy, giống như kim loại lạ fermionic, độ dẫn kim loại theo cặp Cooper tuyến tính với nhiệt độ.
Các nhà nghiên cứu cho biết khám phá mới này sẽ cung cấp cho các nhà lý thuyết một điều gì đó mới mẻ để họ cố gắng tìm hiểu hành vi kỳ lạ của kim loại.
Valles nói: “Đó là một thách thức đối với các nhà lý thuyết để đưa ra lời giải thích cho những gì chúng ta thấy trong kim loại lạ. Công trình của chúng tôi cho thấy rằng nếu bạn định lập mô hình vận chuyển điện tích trong các kim loại lạ, thì mô hình đó phải áp dụng cho cả fermion và boson — mặc dù những loại hạt này về cơ bản tuân theo các quy tắc khác nhau."
Cuối cùng, một lý thuyết về kim loại lạ có thể có những tác động lớn. Hành vi kỳ lạ của kim loại có thể là chìa khóa để hiểu được hiện tượng siêu dẫn nhiệt độ cao, vốn có tiềm năng to lớn đối với những thứ như lưới điện không tổn hao và máy tính lượng tử. Và bởi vì hành vi kỳ lạ của kim loại dường như có liên quan đến các hằng số cơ bản của vũ trụ, việc hiểu được hành vi của chúng có thể làm sáng tỏ sự thật cơ bản về cách thức hoạt động của thế giới vật chất.