物理

Aug 14, 2023

いわゆる奇妙な金属の通電能力は、既知の電気の法則に反しています。 現在、ニューヨークのフラットアイアン研究所のアービシュカール・パテルと彼の同僚は、その理由を説明しています[1]。 この結果は、科学者が高温超伝導性を示す新しい材料を発見するのに役立つ可能性があると研究者らは述べている。その前駆体状態は奇妙な金属性であるという。

銅のスラブを加熱すると、その電気抵抗 (材料が電流の流れにどれだけ抵抗するか) が温度の 2 乗で増加します。 しかし、その銅に酸素、ランタン、バリウムを加えると、挙動が突然変わります。 得られる銅酸化物材料は、極低温では電気抵抗がありませんが、高温になると抵抗が温度とともに直線的に増加するため、銅などの通常の金属よりも導電性が低くなります。 熱を吸収し、急速に振動する電流を伝達する能力など、この材料の他の特性も異常です。 「しかし、抵抗率の変化が最も顕著です」とパテル氏は言う。

科学者たちは 1986 年にこれらの抵抗の奇妙さを初めて発見しましたが、その起源を説明するのに苦労しています。 昨年、実験により、銅酸化物のゼロ抵抗挙動 (超伝導) を説明する理論が確認されました。 現在、理論家たちは、銅酸化物やその他の材料で観察される線形抵抗の傾向 (奇妙な金属性) について説明を得ることができました (「視点: グラフェンがその奇妙な側面を明らかにする」を参照)。

なぜ奇妙な金属が通常の金属よりも導電性に劣るのかを理解するために、パテルと彼の同僚は、材料の電子、つまり電流の伝達者に注目しました。 材料が低温でより大きな抵抗を持つためには、電子がよりゆっくりと移動する必要があると研究チームは考えた。 しかし、なぜ？

研究チームが考えた原因の 1 つは、電子間の衝突の増加であり、理論的には粒子の速度が低下し、抵抗の上昇につながるはずです。 衝突が増加すると、実際に個々の電子の運動量が変化する可能性があります。 しかしチームは、全体の運動量、いわゆる重心運動量が変化しないため、この変化自体は抵抗に影響を及ぼさないことを発見しました。 一部の電子は減速する一方、他の電子は加速するため、「衝突を増やすだけでは効果はありません」とパテル氏は言う。

研究チームが検討したもう 1 つの可能性は、材料の位置エネルギー環境の不均一性でした。 研究チームは、このような「でこぼこした地形」を通過すると、電子が衝突するかどうかに関係なく、電子の質量中心の運動量が変化することを示した。 しかし、このシナリオにおける温度依存の抵抗率は、奇妙な金属ではなく、通常の金属で見られるものと一致します。 「何か別のことが起こっているに違いないと気づきました」とパテル氏は言う。

何か別のものは絡み合いであることが判明しました。 研究チームは、高度に絡み合った状態にある電子をモデル化して、でこぼこした地形では電子の絡み合いの強さが、物質内のどこで絡み合いが起こったかに応じて変化することを発見した。 このもつれの不均一性により、電子の運動量と電子が衝突する頻度の両方にランダム性が加わります (局所的なもつれが強いほど、衝突の頻度が高くなります)。

電子は物質中を一方向に流れるのではなく、あらゆる方向に移動します。 この不規則性は、電子が集団で移動する場合よりもはるかに大きな質量中心の運動量の低下を引き起こします。 また、実験で見られた線形抵抗に従うように、対応する抵抗の温度依存性も変更します。 「このもつれと不均一性の相互作用は、新しい効果です」とパテルは言います。 「比較的簡単に接続できるにもかかわらず、これまで考慮されていませんでした。」

「この研究は、非常に重要な問題について新鮮で新しい視点を提供します」と、ミネソタ大学の物性理論家で、無秩序な系における電子の集団的挙動を研究しているラファエル・フェルナンデスは言う。 「彼らは、材料の詳細に依存しない、奇妙な金属の挙動に関するこの普遍的なメカニズムを発見しただけでなく、強相関材料における電子相互作用について考える方法について概念的な進歩ももたらしました。 それは美しいです。"