解释奇异金属之谜

研究人员解释了某些金属表现出异乎寻常的高电阻现象。

（为了解释奇异金属的极高电阻现象，一个新的理论考虑了纠缠和随机性，并发现这两种效应的结合导致了电子之间的非均匀碰撞，这种碰撞行为产生了相对较大的电阻。）

所谓的奇异金属，是指其载流能力与已知的电学规律相违背。近日，纽约 Flatiron 研究所的 Aavishkar Patel 和他的同事对此做出了解释 [1] 。他们表示，这一结果可以帮助科学家们找到具有高温超导性的新材料，而这种奇异的金属性是材料出现高温超导性的前兆。

如果加热一块铜板，它的电阻——即材料抵抗电流流过的程度——会随着温度的平方而增加。但是如果在铜中加入一些氧、镧和钡，其行为就会突然改变。所得的铜材料在非常低的温度下没有电阻，但电阻会随温度的升高而线性增加，使其成为比铜等普通金属更差的导体。这种材料的其他特性也是反常的，包括它吸收热量和输运快速振荡电流的能力。 但 Patel 表示电阻率的变化是最显著的。

科学家们于 1986 年首次发现了这些奇异的电阻行为，但他们一直在努力解释它们的起源。去年， 实验证实 了一个解释铜氧化物零电阻 ( 超导 ) 行为的理论。现在理论学家对在铜氧化物和其他材料中观察到的线性电阻趋势 ( 奇怪的金属性 ) 有了解释 ( 参见 观点 : 石墨烯揭示其奇怪的一面 ) 。

为了理解奇异金属比普通金属的导电性差的原因， Patel 和他的同事们转向研究材料的电子——电流的载体。为了使这种材料在较低温度下具有更大的电阻，研究小组认为电子的移动速度必须更慢。但是原因是什么？

研究小组认为，一个可能的原因是电子之间的碰撞增加了。从理论上讲，这应该会减慢粒子的速度，导致电阻上升。增加的碰撞确实可以改变单个电子的动量。但研究小组发现，这种变化本身并不影响阻力，因为总动量——即所谓的质心动量——保持不变。一些电子减速，而另一些则加速。所以 Patel 表示 ，仅仅增加碰撞并不能解决问题。

该团队考虑的另一种可能性是材料势能的不均匀性。研究小组表明，穿越这样一个“崎岖不平的地形”会改变电子的质心动量，而不管它们是否碰撞。但在这种情况下，与温度相关的电阻率与正常金属相匹配，而不是奇异金属。 Patel 表示： “ 我们意识到一定有别的因素在起作用。 ”

这种起作用的因素被证明是纠缠。通过构建电子处于高度纠缠状态的模型，研究小组发现，在崎岖不平的地形中，电子纠缠的强度取决于纠缠发生在材料中的位置。这种纠缠的不均匀性增加了电子动量和它们碰撞频率的随机性（局部纠缠越强，碰撞就越频繁）。

这时，电子不再沿一个方向在材料中流动，而是向各个方向移动。这种不规则性导致了比电子集体运动时更大的质心动量下降。它还改变了相应电阻的温度依赖性，使其遵循实验中观测到的线性行为。“这种纠缠和非均匀性的相互影响是一种新的效应，” Patel 表示。“尽管这是一个相对简单的联系，但之前没有考虑过。”

“这项工作为一种非常重要的问题提供了一个全新的视角，” Minnesota 大学研究无序系统中电子集体行为的凝聚态理论学家 Rafael    Fernandes 表示。 “ 他们不仅发现了这种不依赖于任何材料细节的奇异金属行为的普遍机制，而且还为如何思考强关联材料中的电子相互作用方面提供了概念上的进步。理论很漂亮。 ”

这种观点得到了 Cincinnati 大学理论凝聚态物理学家 Yashar Komijani 的赞同，他致力于研究与超导有关的问题。对于 Komijani 来说，该模型的一个重要方面是它对一种奇异金属的剩余电阻率（零开尔文时的电阻率）和线性电阻区中梯度的陡峭度之间的独立性的坚实预测。他表示 :“ 这种预测是可以通过实验轻易验证的。 ”

Komaijini 认为，这个新理论很有可能经得起实验的检验，以及进一步的理论研究。但他指出，该理论尚未回答与奇怪金属行为所有相关的悬而未决的问题。比如，虽然新模型预测了奇异金属的三种异常行为，但目前还没有解决第四种异常行为，这与材料在受到磁场作用时如何偏转电流有关。 Patel 和他的团队在这项研究中没有对这方面的奇怪金属行为发表评论。

即使有这样的警告， Komaijini 认为这项工作对寻找在高温下转变为超导体的奇异金属有直接的影响。 “ 为了更好地了解高温超导体，我们首先需要了解奇异金属， ” 他表示。 “ 这项工作是这个方向上的一个突破。 ”

[1] A. A. Patel et al., “Universal theory of strange metals from spatially    random interactions,” Science 381, 790 (2023).

https://physics.aps.org/articles/v16/148