奇异金属——一种连传导电流的方式都与众不同的金属
2018/8/10 14:31:12 中科院物理所

    

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     1911年，当物理学家昂内斯(Kamerlingh Onnes)用液氦将金属汞的温度降低到4 K (?269.15 °C)以下时，神奇的事情发生了：电阻完全消失了!他发现的正是所谓的超导现象。到了1933年，迈斯纳(Walther Meissner)和奥克森菲尔德(Robert Ochsenfeld)发现，处于超导态时，超导体内部磁场为零，对磁场完全排斥，这就是超导体的完全抗磁性。零电阻与完全抗磁性是超导体的两大特征。

    

     ○ 超导体完全抗磁性的实验图。在注满液氦的杜瓦瓶中，圆柱体形状的金属锡被置于磁场中，当温度从4.2 K降低至1.6 K时，电磁铁的磁场强度保持不变，但锡在大约3K时成了超导体，可以从众多小磁极的指向中看到，磁通量被排斥到圆柱体之外。| 图片来源：Wikipedia

     普通的金属超导体通常必须用液氦冷却到温度低于30 K (?243.2 °C)时才会转变为超导态。一直以来，物理学家们都在努力寻找一种室温下的超导体。1986年，Georg Bednorz和K. Alex Müller发现，在温度降低到35 K (?238.2 °C)时，陶瓷性金属氧化物LaBaCuO会转变为超导态。他们的发现开启了铜基高温超导体的时代。

    

     ○ 1900年-2015年超导体的发现历史。绿色圆形：金属超导体；蓝色菱形：铜基高温超导体；橙色方块：铁基超导体。2015年，科学家发现，H?S在155 GPa的超高压下，当温度降低到203 K(-70 °C)时转变为超导态，这是目前所知的转变温度最高的超导体。| 图片来源：Wikipedia

     近日，在美国佛罗里达州立大学的国家强磁场实验室(MagLab)中，科学家在铜酸盐(cuprate)高温超导材料La(2-x)SrxCuO4(LSCO)中发现了一种行为，表明它们传导电流的方式与传统的金属(例如铜)截然不同。这项研究发表在《科学》杂志上，为这种材料的昵称——“奇异金属”又增添了新的内涵。

     铜酸盐是高温超导体(HTS)，也就是说，相比于传统的低温超导体(LTS)，它可以在较高温度下、没有任何能量损失地传导电流。尽管科学家理解低温超导的物理机制，但高温超导材料的奥秘却始终没有被破解。电子究竟是如何在这些材料中传导的，仍然是这个领域最大的谜团。

     探寻“奇异”金属正常态的电子传导方式

     MagLab的物理学家Arkady Shekhter带领的团队专注于研究LSCO正常的金属态(当温度降到足够低时，导体从金属态转变为超导态)。这种铜酸盐的正常态被认为是“奇异”金属，或者“坏”金属，部分原因是电子不能够特别好地传导电流。

    

     ○ Arkady Shekhter带领的团队在MagLab进行实验，MagLab有着100特斯拉的脉冲磁体。| 图片来源：National High Magnetic Field Laboratory

     从一个多世纪以前，科学家就已经开始研究传统金属了，并且普遍同意传统金属是如何导电的。他们将这些金属中携带电荷的单元称为“准粒子”(quasiparticle)。当电子在导体中移动时，会与导体中的其他电子和原子核相互作用，电场受到屏蔽，质量也受到干扰，这样的电子可以被看作是一个有着“有效质量”的电子不受扰动地在真空中移动，也就是所谓的电子准粒子。当这些准粒子在导体中携带电荷时，它们的行为是彼此近乎独立的。

     但是，准粒子流也能解释电流在铜酸盐中是如何传导的吗？利用位于新墨西哥州洛斯阿拉莫斯的MagLab脉冲场设备(Pulsed Field Facility)，Shekhter及其团队研究了这一问题。他们将LSCO置于非常强的磁场中，加上电流，然后测量其电阻。

     由此得出的数据显示，事实上，电流不能像在铜或者掺杂的硅中那样，通过传统的准粒子传导。实验中出现的酮酸盐的正常金属态一点都不“正常”。

     Shekhter说：“这是金属传导电流的一种新方式，不同于迄今为止科学家们唯一理解并达成共识的那种方式——一堆准粒子飞来飞去，像大多数金属那样。”

     如果不是通过准粒子，在LSCO的奇异金属相，电荷究竟是如何传导的呢？数据表明，可能是通过电子之间的某种集体协作。

     科学家之前就已经知道LSCO的一个有趣行为：在正常导电状态下，其电阻与温度成正比。也就是说，当温度上升时，LSCO对电流的阻碍作用成比例地增加，在传统金属中则并非如此，而是与温度的平方成正比。

     Shekhter和同事决定，以磁场而非温度作为参量测试LSCO的电阻率。他们将材料置于最强为80特斯拉(相比之下，医院MRI产生的磁场约为3特斯拉)的磁场中，测量其电阻率。他们发现了另一种线性电阻率的情况：随着磁场强度增加，LSCO的电阻率成比例地上升。这也不同于普通金属材料中电阻率与磁场强度平方成正比的关系。

    

     ○ (A)从4K到180K的一系列温度下，电阻率与磁感应强度的关系图。从图中可见，在普通金属态(高于转变温度，低磁场下的非超导态)，电阻率与磁感应强度成正比。(B)电阻率-磁感应强度变化率(图A中的斜率)与温度的关系，可以看到，在低温下，电阻率-磁感应强度变化率趋向饱和，也就是说，电阻率与磁感应强度成正比。(C)从0T到80T的一系列磁感应强度下，在普通金属态，电阻率与温度成正比。| 图片来源：DOI：10.1126/science.aan3178

     Shekhter说，LSCO的电阻率与磁场强度的线性关系，与之前已知的电阻率与温度的线性关系优雅地形成了一种镜像对照，这一事实非常重要。“通常当我们看到这种现象时，意味着在它的背后有着一个非常简单的原理。”

     这项发现表明，当电子在材料中移动时，它们似乎会相互配合。一段时间以来，物理学家一直认为高温超导材料在超导相会表现出这种“关联电子行为(correlated electron behavior)”，尽管其精确的机制还尚不清楚。

     这个新的证据表明，LSCO 在正常导电态下也可能是以独立的准粒子之外的某种物质来传导电流的，尽管这种物质也不是超导的。至于这种物质到底是什么，科学家还并不确定。要找到答案可能需要以全新的方式来看待问题。

     Shekhter说：“我们遇到了任何现存的语言都无法描述的情况，我们需要找到一种新的语言来思考这些材料。”

     新的研究引发了许多问题，以及一些令人着迷的想法，包括能够以本质上不同的方式调节酮酸盐电阻率的想法。Shekhter解释说，在传统金属材料中，可以通过多种方式来调节电阻率——想象一套按钮，按动其中任何一个按钮都会调节这一属性。对于铜酸盐，只有一个按钮可以调节电阻率，而且温度和磁场强度以各自的方式按动这一个按钮。

     确实很奇怪。但是对于奇异金属，期待再多也不为过。

     参考来源：

     http://news.cornell.edu/stories/2018/08/strange-metal-superconductors-just-got-stranger

     https://phys.org/news/2018-08-material-unique-behavior-current.html

     DOI: 10.1126/science.aan3178，Scale-invariant magnetoresistance in a cuprate superconductor

     来源：原理

    

    

     编辑：椒盐猫卷饭

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