Blog

Aug 07, 2023

Physik

Die Stromtragfähigkeit sogenannter seltsamer Metalle widerspricht den bekannten Regeln der Elektrizität. Jetzt haben Aavishkar Patel vom Flatiron Institute, New York, und seine Kollegen eine Erklärung dafür

Die Stromtragfähigkeit sogenannter seltsamer Metalle widerspricht den bekannten Regeln der Elektrizität. Jetzt haben Aavishkar Patel vom Flatiron Institute, New York, und seine Kollegen eine Erklärung dafür [1]. Sie sagen, dass das Ergebnis Wissenschaftlern helfen könnte, neue Materialien zu finden, die Hochtemperatursupraleitung aufweisen, deren Vorläuferzustand die seltsame Metallizität ist.

Wenn Sie eine Kupferplatte erhitzen, erhöht sich ihr elektrischer Widerstand – wie stark das Material dem Fluss eines elektrischen Stroms entgegenwirkt – mit dem Quadrat der Temperatur. Wenn man diesem Kupfer jedoch etwas Sauerstoff, Lanthan und Barium hinzufügt, ändert sich das Verhalten plötzlich. Das resultierende Kupratmaterial hat bei sehr niedrigen Temperaturen keinen elektrischen Widerstand, aber wenn es heißer wird, steigt der Widerstand linear mit der Temperatur, wodurch es ein schlechterer Leiter ist als ein normales Metall wie Kupfer. Auch andere Eigenschaften des Materials sind abnormal, darunter seine Fähigkeit, Wärme zu absorbieren und einen schnell oszillierenden elektrischen Strom zu transportieren. „Am auffälligsten ist jedoch die Änderung des Widerstands“, sagt Patel.

Wissenschaftler entdeckten diese merkwürdigen Resistenzen erstmals 1986, hatten jedoch Mühe, ihren Ursprung zu erklären. Letztes Jahr bestätigten Experimente eine Theorie, die das Nullwiderstandsverhalten (Supraleitung) in Kupraten erklärt. Jetzt haben Theoretiker eine Erklärung für den linearen Widerstandstrend (seltsame Metallizität), der in Kupraten und anderen Materialien beobachtet wird (siehe Standpunkt: Graphen enthüllt seine seltsame Seite).

Um zu verstehen, warum seltsame Metalle schlechtere Leiter als normale Metalle sind, wandten sich Patel und seine Kollegen den Elektronen der Materialien zu – den Trägern des elektrischen Stroms. Damit das Material bei niedrigeren Temperaturen einen größeren Widerstand aufweist, gingen die Forscher davon aus, dass sich die Elektronen langsamer bewegen müssen. Aber warum?

Eine mögliche Ursache, die das Team in Betracht zog, waren verstärkte Kollisionen zwischen den Elektronen, die theoretisch die Teilchen verlangsamen und zu einem Widerstandsanstieg führen sollten. Verstärkte Kollisionen können tatsächlich die Impulse einzelner Elektronen verändern. Das Team stellte jedoch fest, dass diese Änderung allein keinen Einfluss auf den Widerstand hat, da der Gesamtimpuls – der sogenannte Schwerpunktimpuls – unverändert bleibt. Einige Elektronen werden langsamer, während andere schneller werden. „Nur mehr Kollisionen reichen also nicht aus“, sagt Patel.

Eine weitere Möglichkeit, die das Team in Betracht zog, war eine Inhomogenität in der potenziellen Energielandschaft des Materials. Das Team zeigte, dass das Durchqueren eines solchen „holprigen Geländes“ den Schwerpunktimpuls der Elektronen verändert, unabhängig davon, ob sie kollidieren oder nicht. Aber der temperaturabhängige Widerstand in diesem Szenario entspricht dem für normale Metalle, nicht für seltsame. „Uns wurde klar, dass etwas anderes im Gange sein musste“, sagt Patel.

Es stellte sich heraus, dass etwas anderes eine Verstrickung war. Das Team modellierte die Elektronen als stark verschränkt und stellte fest, dass in einem unebenen Gelände die Stärke der Elektronenverschränkung abhängig davon variiert, wo im Material die Verschränkung stattfand. Diese Inhomogenität der Verschränkung erhöht die Zufälligkeit sowohl der Impulse der Elektronen als auch der Häufigkeit, mit der sie kollidieren (je stärker die lokale Verschränkung, desto häufiger kommt es zu Zusammenstößen).

Anstatt nun alle in eine Richtung durch das Material zu fließen, bewegen sich die Elektronen in alle Richtungen. Diese Unregelmäßigkeit führt zu einem viel größeren Schwerpunkts-Impuls-Abfall als der, der auftritt, wenn sich die Elektronen kollektiv bewegen. Dadurch ändert sich auch die Temperaturabhängigkeit des entsprechenden Widerstands, sodass diese der in Experimenten beobachteten linearen Abhängigkeit folgt. „Dieses Zusammenspiel von Verschränkung und Ungleichmäßigkeit ist ein neuer Effekt“, sagt Patel. „Obwohl es sich um eine relativ einfach herzustellende Verbindung handelte, war dies bisher noch nicht in Betracht gezogen worden.“

„Diese Arbeit bietet eine frische und neue Perspektive auf ein sehr wichtiges Problem“, sagt Rafael Fernandes, ein Theoretiker der kondensierten Materie an der University of Minnesota, der das kollektive Verhalten von Elektronen in ungeordneten Systemen untersucht. „Sie finden nicht nur diesen universellen Mechanismus für das Verhalten seltsamer Metalle, der nicht von irgendwelchen Materialdetails abhängt, sondern sie bieten auch einen konzeptionellen Fortschritt bei der Betrachtung von Elektronenwechselwirkungen in stark korrelierten Materialien.“ Es ist wunderschön."

Diese Meinung wird von Yashar Komijani geteilt, einem Theoretiker der kondensierten Materie an der University of Cincinnati, der sich mit Problemen im Zusammenhang mit der Supraleitung beschäftigt. Für Komijani ist ein wichtiger Aspekt des Modells seine konkrete Vorhersage der Unabhängigkeit des Restwiderstands eines fremden Metalls – des Widerstands bei null Kelvin – und der Steilheit des Gradienten im linearen Widerstandsbereich. „Die Vorhersage lässt sich durch Experimente leicht überprüfen“, sagt er.

Komaijini glaubt, dass die neue Theorie gute Chancen hat, dieser experimentellen Prüfung sowie weiteren theoretischen Untersuchungen standzuhalten. Er stellt jedoch fest, dass die Theorie noch nicht alle offenen Fragen im Zusammenhang mit dem Verhalten seltsamer Metalle beantwortet. Während das neue Modell beispielsweise drei der anomalen Verhaltensweisen seltsamer Metalle vorhersagt, geht es derzeit nicht auf ein viertes ein, das damit zusammenhängt, wie das Material einen elektrischen Strom ablenkt, wenn es einem Magnetfeld ausgesetzt wird. Patel und das Team äußerten sich in dieser Studie nicht zu diesem Aspekt des Verhaltens seltsamer Metalle.

Trotz dieser Einschränkung glaubt Komaijini, dass die Arbeit unmittelbare Auswirkungen auf die Suche nach seltsamen Metallen haben wird, die bei hohen Temperaturen in Supraleiter übergehen. „Um Hochtemperatur-Supraleiter besser zu verstehen, müssen wir zunächst seltsame Metalle verstehen“, sagt er. „Diese Arbeit ist ein Durchbruch in dieser Richtung.“

–Katherine Wright

Katherine Wright ist stellvertretende Herausgeberin des Physics Magazine.

Eine theoretische Analyse legt nahe, dass bestimmte rotierende Schwarze Löcher empfindliche Sonden der Quantengravitation sein könnten. Mehr lesen "

Das erste Elektronenstreuexperiment an instabilen Radioisotopen markiert einen Meilenstein für das Verständnis der Form exotischer Atomkerne. Mehr lesen "

Ein Blütenblattmuster aus Licht könnte elektrische Ströme in einer breiteren Palette kristalliner Materialien induzieren. Mehr lesen "