Outo metalli on nyt vähemmän outo

Lähes 40 vuoden ajan materiaalit, joita kutsutaan "oudoiksi metalleiksi", ovat hämmentäneet kvanttifyysikoita, uhmaten selitystä toimimalla normaaleja sähköisiä sääntöjä rikkoen.

Nyt New Yorkissa sijaitsevan Flatiron Instituten laskennallisen kvanttifysiikan (CCQ) keskuksen Aavishkar Patelin johtama tutkimus on vihdoin tunnistanut mekanismin, joka selittää outojen metallien ominaisuuksia.

Outoa metallikäyttäytymistä löytyy monista kvanttimateriaaleista, mukaan lukien sellaisista, joista voi pienillä muutoksilla tulla suprajohteita. Tämä suhde viittaa siihen, että outojen metallien ymmärtäminen voisi auttaa tutkijoita tunnistamaan uudenlaistasuprajohtavuutta.

Yllättävän yksinkertainen uusi teoria selittää monia outoja metalleja koskevia omituisuuksia, kuten miksi muutos sähköisessä ominaisvastuksessa on suoraan verrannollinen lämpötilaan, jopa erittäin alhaisiin lämpötiloihin asti. Tämä suhde tarkoittaa, että outo metalli vastustaa elektronien virtausta enemmän kuin tavallinen metalli, kuten kulta tai kupari, samassa lämpötilassa.

Uusi teoria perustuu outojen metallien kahden ominaisuuden yhdistelmään. Ensinnäkin niiden elektronit voivat lomittua kvanttimekaanisesti toisiinsa. Toiseksi oudoissa metalleissa on epätasainen, tilkkumainen atomijärjestely.

Kumpikaan ominaisuus ei yksin selitä outojen metallien omituisuuksia, mutta yhdessä "kaikki loksahtaa paikoilleen", sanoo Patel. Oudon metallin atomiasetelman epäsäännöllisyys tarkoittaa, että elektronien lomittuminen vaihtelee riippuen siitä, missä kohtaa materiaalia lomittuminen tapahtui.

Tämä vaihtelu lisää satunnaisuutta elektronien liikemäärään, kun ne liikkuvat materiaalin läpi ja ovat vuorovaikutuksessa toistensa kanssa. Sen sijaan, että kaikki virtaisivat yhdessä, elektronit lyövät toisiaan kaikkiin suuntiin, mikä johtaa materiaalin lämpenemiseen ja sähköisen resistanssin kasvuun lämpötilan mukana.

”Tämä lomittumisen ja epätasaisuuden vuorovaikutus on uusi vaikutus; sitä ei ollut koskaan aiemmin harkittu minkään materiaalin osalta”, Patel sanoo. ”Jälkeenpäin ajateltuna kyse onkin äärimmäisen yksinkertaisesta asiasta.

Patel toteaa, että outojen metallien parempi ymmärtäminen voisi auttaa fyysikoita kehittämään ja hienosäätämään uusia suprajohtimia sovelluksiin, kuten kvanttitietokoneisiin.

"On tapauksia, joissa jokin haluaa mennä suprajohtavaksi, mutta ei aivan tee sitä, koska toinen kilpaileva tila estää suprajohtavuuden", hän sanoo. "Voisi sitten kysyä, voiko näiden epätasaisuuksien läsnäolo tuhota nämä muut tilat, joiden kanssa suprajohtavuus kilpailee ja jättää tien avoimeksi suprajohtavuudelle."

Nyt kun omituiset metallit ovat vähän vähemmän outoja, nimi saattaa tuntua vähemmän sopivalta kuin ennen. "Haluaisin kutsua niitä tässä vaiheessa epätavallisiksi metalleiksi, ei oudoksi", Patel sanoo.

Aiheesta aiemmin: