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自20世纪80年代起，一些被称为“奇异金属”的材料的电学特性，一直困扰着量子物理学家。其中一个令人困惑的问题便是，在奇异金属中，电荷究竟是如何移动的？一直以来，物理学家都将普通金属中的电流，理解为带电粒子的流动。但在最新发表于《科学》杂志的一项研究中，研究人员证明了，至少在一种奇异金属中，这种理解是不恰当的。
反常的线性关系
奇异金属的行为最早是在一类被称为铜氧化物的材料中发现的，它们不仅可以在远高于普通超导体的临界温度下表现出超导性；在超导临界温度以上，它们的电阻率还会以严格的线性方式随温度升高。
电阻率与温度的线性关系，威胁到了一个解释电荷如何在金属中移动的著名理论。这个理论是由物理学家列夫·朗道（LevLandau）于1956年提出的费米液体理论。简单来说，朗道提出，在普通金属中，当一个电子在电子流体中移动时，附近的电子会受到它的干扰，通过一系列复杂的相互作用后，这些电子最终会在一种被称为“准粒子”的团块中，集体性地行进。
费米液体理论的神奇之处在于，每一个准粒子的行为几乎完全像一个单一的基本电子。因此物理学家可以继续将电流视为“电子”的运动，只是这里的“电子”实际上是一个准粒子。
根据费米液体理论，在普通金属中，电阻率并不是以线性方式随温度上升，而是随温度的平方升高。随着越来越多的奇异金属被发现，物理学家开始疑惑为什么费米液体理论会在这些奇异金属中失效。物理学家开始怀疑，或许在奇异金属中，根本没有准粒子。但是，他们一直缺乏直接的实验证据来证实这种猜测。
被抑制的散粒噪声
在这项新研究中，为了了解奇异金属中的电流，研究小组对一种奇异金属的散粒噪声进行了测量。通过测量散粒噪声，研究人员可以测量电荷流过导体时的颗粒性。
然而，进行散粒噪声实验的一个难点是，这项测试不能在宏观晶体上进行，而是需要在纳米级的样品上进行。因此，研究人员必须设法先制造出极薄的、完美的晶体薄膜，然后再设法在保持这种完美水平的情况下，将这些厚度只有人类头发1/5000的薄膜制成纳米线。
经过漫长的艰难尝试，研究人员最终用一种由镱、铑、硅（YbRhSi）构成的奇异金属，制成了近乎完美的金属线（长约600nm、宽约200nm），其中Yb、Rh、Si的精确比例是1:2:2。
在实验中，研究人员将YbRhSi金属线冷却到仅比绝对零度高几度的温度，再让电流穿过这些奇异金属的纳米线。与此同时，他们还让电流通过由普通金制成的纳米线。
结果表明，奇异金属的纳米线异常“安静”，电流悄悄地通过奇异金属的纳米线。与普通金属纳米线相比，奇异金属纳米线中的散粒噪声受到了明显抑制。研究人员表示，这种抑制不能归因于费米液体中的电子-声子或电子-电子相互作用，这表明这种奇异金属中的电荷，不是以准粒子的形式流动的。
谜题仍在
如果奇异金属中的电流，不是由像电子一样的电荷的移动导致的，那么应该怎样描述奇异金属中的电流呢？对此，物理学家们还没有答案。不过，虽然现在还无法解释为什么在奇异金属内部电荷似乎会“溶解”，但这项研究结果首次通过测量散粒噪声，为证明电似乎能以一种不寻常的液体形式流过奇异金属提供了证据，为理解奇怪金属的电学性质带来了全新的见解。
#创作团队：
撰文：小雨
排版：雯雯
#参考来源：
https://news.rice.edu/news/2023/strange-metal-strangely-quiet-noise-experiment
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abq6100#tab-contributors
https://www.quantamagazine.org/meet-strange-metals-where-electricity-may-flow-without-electrons-20231127/
#图片来源：
封面图&首图：Viscious-Speed / Pixabay
来源：https://view.inews.qq.com/k/20231128A0B6I100
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