根據布朗大學科學家們的一項新研究，他們的新發現可以幫助研究人員理解“奇怪金屬”，這是一類與高溫超導體有關的材料，與黑洞“共享”基本的量子屬性。

科學家對溫度如何影響大多數日常金屬（如銅或銀）的導電性能了解得相當清楚。但是近年來，研究人員已經將他們的注意力轉向了一類似乎不遵循傳統電學規則的材料。了解這些所謂的”奇怪金屬”可以提供對量子世界的基本見解，並有可能幫助科學家理解像高溫超導這樣的奇怪現象。

現在，一個由布朗大學物理學家共同領導的研究小組為奇怪的金屬組合增加了一個新的發現。在《自然》雜誌上發表的研究中，該小組在一種材料中發現了”奇怪金屬”行為，在這種材料中，電荷不是由電子攜帶，而是由稱為庫珀對的更多“波狀”實體攜帶。

雖然電子屬於一類被稱為費米子的粒子，但庫珀表現為玻色子時，它遵循與費米子非常不同的規則。這是研究人員第一次在玻色子系統中看到”奇怪金屬”行為，他們希望這一發現可能有助於找到對”奇怪金屬”如何工作的解釋–這一點幾十年來一直困擾著科學家。

“我們有這兩種根本不同類型的粒子，它們的行為在一個謎團周圍匯聚，”布朗大學物理學教授、該研究的通訊作者Jim Valles說。“這說明的是，任何解釋奇怪金屬行為的理論都不能專門針對這兩種類型的粒子。它需要比這更基本。”

“奇怪金屬”行為大約在30年前首次在一類叫做銅酸鹽的材料中被發現。這些銅氧化物材料因為是高溫超導體而最為著名，這意味著它們在遠高於普通超導體的溫度下以零電阻導電。但是，即使在高於超導臨界溫度的溫度下，與其他金屬相比，銅酸鹽的行為也很奇怪。

隨著溫度的升高，銅氧化物的電阻以嚴格的線性方式增加。在正常的金屬中，電阻只增加到目前為止，在高溫下變得恆定，這與所謂的費米液體理論相一致。當在金屬中流動的電子撞上金屬的振動原子結構，導致它們散開時，就會產生電阻。費米液體理論為電子散射的發生設定了一個最大速率。但是“奇怪金屬”並不遵循費米-液體規則，而且沒有人確定它們是如何工作的。科學家們所知道的是，奇怪金屬中的溫度-電阻關係似乎與自然界的兩個基本常數有關。玻爾茲曼常數，它代表隨機熱運動產生的能量，以及普朗克常數，它與光子（一種光的粒子）的能量有關。

“為了試圖理解在這些奇怪金屬中發生的事情，人們已經應用了類似於用於理解黑洞的數學方法，”Valles說。“所以在這些材料中發生了一些非常基本的物理學。”

關於玻色子和費米子

近年來，Valles和他的同事一直在研究電荷載體不是電子的電活動。1952年，諾貝爾獎獲得者Leon Cooper發現，在正常的超導體中（不是後來發現的那種高溫超導體），電子聯合起來形成庫珀對，它們可以毫無阻力地在原子晶格中“滑行”。儘管是由兩個電子形成的，它們是費米子，但庫珀對可以作為玻色子發揮作用。

“費米子和玻色子系統通常表現得非常不同，”Valles說。“與單個費米子不同，玻色子被允許共享相同的量子狀態，這意味著它們可以像水分子在波紋中集體移動。”

2019 年，Valles 和他的同事表明，庫珀對玻色子可以產生金屬行為，這意味著它們可以在一定的電阻下導電。研究人員說，這本身就是一個令人驚訝的發現，因為量子理論的元素表明這種現像不應該是可能的。對於這項最新研究，該團隊想看看玻色子庫珀對金屬是否也是奇異金屬。

該團隊使用了一種稱為釔鋇銅氧化物的銅酸鹽材料，其圖案上帶有誘導庫珀對金屬狀態的小孔。該團隊將材料冷卻至略高於其超導溫度，以觀察其電導的變化。他們發現，像費米子奇異金屬一樣，庫珀對金屬電導與溫度呈線性關係。

研究人員表示，這一新發現將為理論家們提供一些新的東西，讓他們在試圖了解奇怪金屬行為時有所了解。

“對於理論家來說，對我們在奇怪金屬中看到的東西提出解釋是一個挑戰，”Valles 說。“我們的工作表明，如果你要模擬奇怪金屬中的電荷傳輸，該模型必須適用於費米子和玻色子——即使這些類型的粒子遵循根本不同的規則。”

最終，奇怪金屬的理論可能會產生巨大的影響。研究人員認為，奇怪金屬行為可能是理解高溫超導性的關鍵，它在無損電網和量子計算機等領域具有巨大潛力。而且由於奇怪金屬的行為似乎與宇宙的基本常數有關，了解它們的行為可以揭示物理世界如何運作的基本事實。