新发现的“奇怪金属”可能会带来深刻的见解

诸平

Credit: CC0 Public Domain

据美国布朗大学（Brown University）2022年1月12日报道，新发现的“奇怪金属(strange metal)”类型可能会带来深刻的见解（Newly discovered type of 'strange metal' could lead to deep insights）。

科学家们对温度如何影响像铜或银这样的日常金属的电导率非常了解。但近年来，研究人员将注意力转向了一种似乎不遵循传统电学规则的材料。理解这些所谓的“奇怪金属”可以为量子世界提供基本见解，并可能帮助科学家理解高温超导等奇怪现象。

现在，一个由布朗大学物理学家共同领导的研究小组,在这种奇怪的金属混合物中增加了一个新发现。发现了一种材料的奇怪金属行为，在这种材料中，电荷不是由电子携带的，而是由被称为库珀对（Cooper pairs）的更“波状（wave-like）”的实体携带的。相关研究结果于2022年1月12日已经在《自然》（Nature）杂志网站发表——Chao Yang, Haiwen Liu, Yi Liu, Jiandong Wang, Dong Qiu, Sishuang Wang, Yang Wang, Qianmei He, Xiuli Li, Peng Li, Yue Tang, Jian Wang, X. C. Xie, James M. Valles, Jie Xiong, Yanrong Li. Signatures of a strange metal in a bosonic system. Nature, 2022; 601 (7892): 205-210. DOI: 10.1038/s41586-021-04239-y. www.nature.com/articles/s41586-021-04239-y

虽然电子属于一种叫做费米子（fermions）的粒子，但库珀对起玻色子（bosons）的作用，玻色子遵循与费米子非常不同的规则。这是首次在玻色子系统中发现奇怪的金属行为，研究人员希望这一发现可能有助于解释奇怪金属是如何工作的，这是科学家们困惑了几十年的问题。

布朗大学的物理学教授、该研究的通信作者吉姆·瓦列斯(Jim Valles)说：“我们有这两种根本不同类型的粒子，它们的行为汇聚在一个谜题周围。这表明，任何解释奇怪金属行为的理论都不可能针对任何一种粒子，因此，它需要更基本的东西。”

奇怪的金属（Strange metals）

大约30年前，人们在一类叫做铜酸盐（cuprates）的材料中首次发现了奇怪的金属行为。这些氧化铜材料以其高温超导体而闻名，这意味着它们在远高于普通超导体的温度下可以零电阻导电。但是，即使温度高于超导临界温度，与其他金属相比，铜的行为也很奇怪。

随着温度的升高，铜的电阻呈严格的线性增加。在普通金属中，电阻只增加到这个程度，在高温下保持恒定，这符合费米液体理论（Fermi liquid theory）。当在金属中流动的电子撞击到金属振动的原子结构时，就会产生电阻，导致它们散开。费米液体理论设定了电子散射能发生的最大速率。但奇怪的金属并不遵循费米-液体定律（Fermi-liquid rules），也没有人知道它们是如何工作的。科学家所知道的是,在奇怪的金属中电阻-温度关系，似乎与两种基本常数有关。这两种常数分别是玻尔兹曼常数（Boltzmann's constant）和普朗克常数（Planck's constant）。玻尔兹曼常数表示随机热运动产生的能量，普朗克常数则关系到光子的能量。

吉姆·瓦列斯说:“为了理解这些奇怪的金属中发生了什么，人们已经应用了类似于理解黑洞的数学方法。所以这些材料中发生了一些非常基本的物理现象。”

玻色子和费米子（Of bosons and fermions）

近年来，吉姆·瓦列斯和他的同事一直在研究载荷子（charge carriers）不是电子的电活动。1952年，诺贝尔奖得主莱昂·库珀(Leon Cooper)发现，在普通超导体(不是后来发现的高温超导体)中，电子组成的库珀对(Cooper pairs)可以在原子晶格中无阻力地移动。尽管它是由两个费米子的电子组成的，但库珀对可以作为玻色子。

吉姆·瓦列斯说：“费米子系统和玻色子系统的表现通常非常不同。与单个费米子不同，玻色子被允许共享相同的量子态，这意味着它们可以像水分子一样在波的波纹中集体移动。”

2019年，吉姆·瓦列斯和他的同事证明，库珀对玻色子可以产生金属行为，这意味着它们可以在有一定阻力的情况下导电。研究人员说，这本身就是一个令人惊讶的发现，因为量子理论的元素表明，这种现象不应该是可能的。在这项最新的研究中，研究小组想知道玻色库珀对金属（bosonic Cooper-pair metals）是否也是奇怪的金属。

研究小组使用了一种名为钇钡铜氧化物（yttrium barium copper oxide）的铜酸盐材料（cuprate material），上面有微小的孔洞，可以诱发库珀对金属状态（Cooper-pair metallic state）。研究小组将材料冷却到刚好高于超导温度，观察其电导的变化。他们发现，像费米离子的奇异金属（fermionic strange metals）一样，库珀对金属的电导率与温度成线性关系。

研究人员说，这个新发现将给理论家们一些新的东西来咀嚼消化，因为他们试图理解奇怪的金属行为。吉姆·瓦列斯说：“对理论学家来说，解释我们在奇怪金属中看到的东西是一个挑战。我们的工作表明，如果你要模拟奇怪金属中的电荷传输，这个模型必须适用于费米子和玻色子，尽管这两种类型的粒子遵循根本不同的规则。”

最终，一种奇怪金属的理论可能会产生巨大的影响。奇怪的金属行为可能是理解高温超导性的关键，而超导性在无损电网和量子计算机等领域具有巨大的潜力。而且，由于奇怪的金属行为似乎与宇宙的基本常数有关，理解它们的行为可以揭示物理世界如何运作的基本事实。

参与此项研究的除了布朗大学的研究人员之外，更多的是来自中国的科学家，包括（成都）电子科技大学，四川大学，北京大学，北京师范大学以及北京量子信息科学研究院。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Abstract

Fermi liquid theory forms the basis for our understanding of the majority of metals: their resistivity arises from the scattering of well defined quasiparticles at a rate where, in the low-temperature limit, the inverse of the characteristic time scale is proportional to the square of the temperature. However, various quantum materials1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15—notably high-temperature superconductors1,2,3,4,5,6,7,8,9,10—exhibit strange-metallic behaviour with a linear scattering rate in temperature, deviating from this central paradigm. Here we show the unexpected signatures of strange metallicity in a bosonic system for which the quasiparticle concept does not apply. Our nanopatterned YBa2Cu3O7−δ (YBCO) film arrays reveal linear-in-temperature and linear-in-magnetic field resistance over extended temperature and magnetic field ranges. Notably, below the onset temperature at which Cooper pairs form, the low-field magnetoresistance oscillates with a period dictated by the superconducting flux quantum, h/2e (e, electron charge; h, Planck’s constant). Simultaneously, the Hall coefficient drops and vanishes within the measurement resolution with decreasing temperature, indicating that Cooper pairs instead of single electrons dominate the transport process. Moreover, the characteristic time scale τ in this bosonic system follows a scale-invariant relation without an intrinsic energy scale: ħ/τ ≈ a(kBT + γμBB), where ħ is the reduced Planck’s constant, a is of order unity7,8,11,12, kB is Boltzmann’s constant, T is temperature, μB is the Bohr magneton and γ ≈ 2. By extending the reach of strange-metal phenomenology to a bosonic system, our results suggest that there is a fundamental principle governing their transport that transcends particle statistics.