新材料中的量子怪异现象颠覆物理学规则

铜、铂、铝、金。金属在人类历史上非常重要，我们甚至以其变革力量命名了历史时代（青铜时代、铁器时代）。这些材料以其导电特性而著称，对于我们的现代时代同样至关重要——它们几乎存在于所有推动信息时代的技术中。然而，尽管金属用途广泛，科学家们仍在努力解读其内在运作机制。

经过几个世纪的研究，物理学家对大多数金属有了很好的理解。它们特有的光泽和冰冷触感都是电子运动和相互作用方式的结果。例如，金属的反光光泽来自于它即使在可见光的极高频率下也能导电的能力，而触摸时感觉凉爽是由于它与木材或玻璃等绝缘材料相比，导热性能良好。

然而，最近科学家们发现，有些金属是不同的。一种名为奇异金属的新型材料表现出令人困惑的电子行为。在这些金属中，电子似乎失去了各自的特性，更像是一种“汤”，其中所有粒子都通过量子纠缠相互连接。这些强相互作用电子的物理特性甚至似乎反映了粒子在黑洞事件视界附近的某些行为方式。通过研究这些奇异的“离群者”，物理学家们希望更好地理解所有金属，以及固态材料内部可能存在的物理学极端现象。

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要了解为什么奇异金属是奇异的，我们首先考虑一下普通金属是如何工作的。像所有物理材料一样，金属由原子构成：带正电的原子核被带负电的电子包围。材料通过化学键结合在一起，原子通过化学键转移和共享电子。在金属中，某些电子（“价”电子）可以轻松地跨越多个原子，在材料中自由流动，并在电场的作用下携带负电荷。这种运动称为电流。

电子于 1897 年被发现，当时物理学家们开始定义大量粒子的统计特性。鉴于一立方厘米的固体包含大约 10²² 个原子，因此描述真实材料的任何方法都需要是统计性的。早期将物理学应用于固体材料工作的尝试假设金属中的电子的行为类似于气体中的分子。然而，到 20 世纪 20 年代末，第一次量子革命已经发生，揭示了电子像所有量子粒子一样，具有波动性。

通过将电子视为波，我们可以想象一个金属的量子玩具模型。每个电子波都有一个动量，该动量与其波长成反比，并且动能与动量的平方成正比。如果只考虑一个维度，我们可以将这些状态视为高速公路上的车道。能量最低的状态是慢车道，有向东和向西的慢车道。量子定律，即泡利不相容原理，指出没有两个电子可以共享相同的量子态，这意味着每条车道可以容纳两个电子（汽车），其中一个电子取“自旋向上”值，另一个电子取“自旋向下”值。（自旋的量子特性代表电子的角动量，但不等同于任何实际的旋转。）

一旦慢车道满了，额外的电子“汽车”必须进入更高速度的车道。现在想象一下非常非常多的电子“汽车”，因此也有非常非常多的车道。最慢速车道中的电子无法变道，因为能量立即更高或更低的车道已经满了（这称为泡利阻塞）。只有最高速的电子才能进入未占用的车道。

现在将电池连接到系统，以添加沿高速公路指向西方的电场。该电场加速了向东行驶的电子“汽车”，使得旁边有空车道的电子可以向上移动到更高速度的车道。它也使向西行驶的“汽车”减速，导致附近有空位的电子移动到较低速度的向西车道。由此产生的向东交通流量的净增加（负电荷向东移动）对应于向西移动的电流。

我称这个模型为玩具模型，因为它有意忽略了两个重要的事情。首先，它仅描述了电子，而没有提及构成材料的实际原子。但是，在晶体固体中会发生一件令人惊奇的事情，在晶体固体中，原子排列成规则的、重复的晶格。每个电子的状态看起来都像一个已经考虑了晶格的波。我们关于车道的类比仍然适用，但是现在存在车道（能量）带，它们之间存在间隙。如果能量最高的占用车道具有相邻的空车道，则该系统是金属，因为车道变换仍然是可能的。换句话说，该材料可以导电。如果每个带中的所有车道都完全满或完全空，则该系统是绝缘体或半导体。如果它是绝缘体，则带之间的能隙与热能尺度相比非常大（例如，钻石）。如果它是半导体，则带之间的能隙较小（例如，硅）。

这个模型是玩具模型的第二个原因是它忽略了电子之间的相互作用，即使我们在小学就学到同性电荷互相排斥。泡利原理是我们能够忽略这种相互作用的关键。在原子中，由于该定律迫使额外的电子进入更高和更高的能量状态（也称为轨道），因此动能通常最终比电子-电子排斥更重要。

大约 70 年前，俄罗斯物理学家列夫·朗道和他的合作者提出了一个非常成功的猜想，现在称为朗道费米液体理论，试图理解金属内部的电子相互作用。

费米液体中相互作用的电子产生我们称之为准粒子的东西。准粒子是一种激发态，它具有我们与粒子相关联的所有属性（电荷、自旋、动量、能量），但它仅在嵌入更大的多体系统时才存在。准粒子的一个类似物是体育场中的“人浪”欢呼。当球迷做人浪时，观察者可以清楚地看到站立人群的脉冲，该脉冲似乎在体育场周围移动，在任何时候都具有清晰的位置和速度。人浪是由相互作用的观众成员的协调运动构建的集体对象，当只有零星的球迷时，谈论人浪甚至没有意义——它需要一群人。物理学家在固态材料中发现了一个完整的准粒子动物园，名称如声子、磁振子、自旋子、空穴子和等离子体激元。

准粒子是电子-电子相互作用的结果。一个类比是一个人试图穿过拥挤的房间——例如，他们的速度与在空房间（非相互作用情况）中不同，因为他们的运动受到其他人的影响，其他人必须重新排列自己才能让走路的人通过。

通过将电子的集体行为视为准粒子，物理学家做出了可测试的预测，这些预测在金、银、铜和铝等金属的实验中一次又一次地得到验证。例如，费米液体在低温下的电阻率——材料抵抗电流通过的程度——预计与温度的平方成正比变化，实验表明确实如此。

近年来，物理学家发现了几十种或更多种材料，它们显然是金属，因为它们的电阻率随着温度的降低而降低，但它们不是费米液体。这些“奇异金属”在低温下的电阻率与温度成线性比例关系——也就是说，它们的电阻率随实际温度而不是温度的平方而变化。这些材料的例子包括一些氧化铜超导体、一些铁基超导体、一些“重费米子”材料以及某些条件下的扭曲双层石墨烯。

这些材料中的大多数都来自于实验室实验，这些实验研究已知接近相变（例如，超导体和金属之间或不同磁态之间）的材料。乍一看，这些奇异金属似乎并不十分引人注目。尽管它们往往是硬而脆的，而不是软而韧的，但它们的“奇异性”在室温下并不明显，因为当这些材料温暖时，热能会淹没量子效应。许多材料在接近特定的量子临界点（就温度、压力和其他参数而言）之前，似乎都是非常普通的金属。在这个临界点，如果材料接近绝对零度（在其基态），它们会在两个不同的相之间切换——例如，两种具有不同磁性的普通金属。在更高的温度和能量下，它们会变成奇异金属。

在低温下，电阻率是取决于 T 还是 T² 听起来可能像是一个无害的差异，但事实并非如此。这种变化意味着费米液体理论的失败，并且一些科学家认为，这意味着激发电子的准粒子图景的崩溃。在没有准粒子的情况下，就好像电子失去了它们的个体性，并且作为一个强相互作用的“汤”集体行动，其中所有粒子都高度纠缠。纠缠是一种量子连接，它使粒子的命运相互交织。当金属内部的电子变得高度纠缠时，它们的集体行为就会发生变化。

一个令人着迷的结果是，在许多（但并非所有）奇异金属中，电子在它们之间分配动量的时间尺度是“普朗克时间”的，这意味着它本质上仅受量子力学（通过所谓的普朗克常数）和温度控制，而与材料的任何细节无关。所有奇异金属之间的这种普遍性，以及奇异金属性出现在许多不同材料中的事实，表明存在某种更深层次的组织原则在起作用。描述奇异金属现象的理论模型可能趋于奇异。一些模型甚至将电子行为映射到黑洞周围事件视界的物理学。

这就是激发实验主义者的那种有趣的挑战。除了电阻与温度的关系之外，我们还可以进行哪些测量来观察奇异金属中微观层面上发生了什么？我们如何判断电子是在某种奇怪的量子“汤”中协同作用，还是像几乎独立的类电子准粒子一样作用？实验物理学有一个解决难题的方面：鉴于我们无法观察到每个电子，我们如何使用有限的工具在实验上区分可能正在发生的各种模型？

我看来，有四个特别有希望的实验途径可以探测奇异金属。一种方法是使用电子束向金属内部的电子传递精确量的能量和动量，这个过程称为动量分辨电子能量损失谱。通过绘制出整个电子系统如何吸收能量和动量，物理学家可以区分来自传统准粒子的贡献和来自集体量子响应的贡献。

第二种技术依赖于最近开发的非常精确的方法，用于研究电流如何在材料内部流动。在这种方法中，物理学家使用极其灵敏的磁场传感器。一种传感器是超导环（超导量子干涉器件，最著名的是 SQUID），它产生的电压与流经环的磁场量精确相关。另一种传感器由具有特定缺陷的金刚石晶体构成——氮原子紧挨着应该有碳原子但没有碳原子的位置（“氮空位中心”）。它的光学特性与局部磁场非常密切相关，使其成为一种良好的场传感器。通过绘制奇异金属附近的磁场，研究人员可以推断出详细的局部电流流动，包括电子合作的迹象，电子海的行为就像粘度非常低的流体。

第三种方法使用光学技术来研究波长在约 100 纳米到 1 毫米之间的光的透射和反射。研究人员使用这种方法来推断导电过程（包括散射）如何取决于电场的频率。电导率、频率和温度之间的关系可以更深入地了解材料是否是普朗克型的。

第四种方法，我们在我的实验室中使用的方法，是测量流经奇异金属的电流中的“散粒噪声”。散粒噪声与电子电荷的粒度有关。如果电流由离散的电荷载流子（例如，单个电子或准粒子）而不是连续的“汤”携带，则它们到达时间的统计变化会导致电流波动。想象一下雨滴落在你的屋顶上。单位时间内相同量的水可以以许多小滴的平稳、稳定的雨水形式到达，也可以以较少但大得多的雨滴的强烈波动的阵雨形式到达。测量电流波动可以让我们了解一次传输了多少电荷。

我们的测量之所以成为可能，仅仅是因为我们使用了高质量的奇异金属薄膜，这是一种化学式为 YbRh₂Si₂ 的化合物，由我们在奥地利维也纳技术大学的合作者开发。这种材料在两种不同的费米液体状态之间具有量子临界点，该临界点在高于绝对零度不到千分之五十度的温度下变得清晰而尖锐，具体取决于磁场。在我的实验室中，我们用这些薄膜制作了纳米线，并观察了电流中的散粒噪声。在我们实验的温度下，从 3 开尔文到 10 开尔文，这种材料非常处于奇异金属状态。如果这条导线中的电子更像连续流体而不是离散准粒子的流，则散粒噪声将低于费米液体的散粒噪声。我们实际上测量到我们的奇异金属中散粒噪声受到抑制，而金线的控制测量显示了预期的费米液体结果。我们的测量结果尚未与关于奇异金属中正在发生的事情的明确理论模型相符，但它们有助于将我们指向正确的方向。

奇异金属呈现出最成功的固体物理模型之一的明显失败。对于物理学家来说，这种失败是对探索的巨大诱惑。然而，这些金属不仅仅是纯粹由好奇心驱动的基础研究的主题。它们可能对急需的技术至关重要。科学家们已经观察到超导性在多个奇异金属家族中以相对较高的温度出现。理解这些金属可能有助于我们开发可能在室温或接近室温下运行的超导体，从而可能改变电网、量子计算和医疗设备。如果我们对固态物理奇异前沿的探索取得成功，那么总有机会将下一个技术时代称为奇异金属时代。