凝聚态物理学的重大挑战

科学家已经非常了解温度会如何影响像铜、银等大多数寻常金属的导电性。但近40年来，一些被称为“奇异金属”的材料，却一直困扰着量子物理学家。这些材料的运行规律超出了传统的电学规则，让人无从理解。

奇异金属行为最早是在一类被称为铜氧化物的材料中发现的，这些铜氧化物可以在远高于普通超导体的温度下以零电阻导电。与其他寻常金属相比，奇异金属在超导临界温度以上的行为也很奇怪，它们的电阻率会表现出不寻常的变化：随着温度升高，电阻率会以严格的线性方式随温度升高；而在寻常金属中，电阻率会随温度的平方升高。因此在临界温度以上，奇异金属的电阻率比寻常金属的更高。

奇异金属的行为。(图片素材/Lucy Reading-Ikkanda/Simons Foundation)

物理学家认为，了解奇异金属的这些特殊性质，可能是理解高温超导性的关键，并且也将有助于发现新的超导性。在一项新发表于《科学》杂志的研究中，一组物理学家提出了一种能够解释奇异金属为何会表现出一些奇特行为的通用理论，为解决这个被认为是凝聚态物理学中最大挑战之一做出了突破性进展。

一个出奇简单的理论

在新的研究中，一组物理学家基于奇异金属的两种性质，提出了一个出奇简单的新理论，解释了奇异金属的许多怪异现象。

首先，它们的电子可以相互纠缠，因此一个电子的“命运”会影响其电子的“命运”，即使它们相隔很远，这种纠缠仍然存在。第二，奇异金属有着不均匀的、类似补丁一样的随机的原子结构。

单独来看，这两种性质都不能解释奇异金属的奇特之处。然而，当将它们结合在一起时，一个全面的解释就出现了：当纠缠和不规则的原子结构结合在一起时，它们会产生一种独特的情况，使得电子无法自由移动，导致金属表现出异常的违反传统电学法则的导电性。

具体来说，在奇异金属中，不规则排列的原子结构会导致电子纠缠出现变化，这与纠缠在材料中发生的位置有关。当电子在材料中移动并相互作用时，这种随机性会影响电子的动量。这些电子不是平滑地一起流动，而是从各个方向相互碰撞，从而产生电阻。随着材料温度升高，电子就会更频繁地碰撞，减慢电流的流动，导致电阻升高。

纠缠与奇异的结构。(图片素材/Lucy Reading-Ikkanda/Simons Foundation)

为了验证他们的理论，研究人员使用了一种计算方法来模拟电子在奇异金属中的行为。他们发现，纠缠和不规则的原子结构会产生“瓶颈效应”，使得电子被限制在有限的路径上运动。这种受限运动导致了奇异金属中的奇特行为。

不再奇异？

纠缠与非均匀性的相互作用是一种新效应，它非常简单。研究人员表示，也许在过去的很长一段时间里，物理学家都把奇异金属为何奇特的故事过于复杂化了。

研究人员希望，这一新的理论能够为超导领域的新发现铺平道路。通过了解奇异金属行为的起源，科学家们或许能够设计出具有类似特性的材料，从而在能量传输和信息存储方面取得进展。

然而，该研究也为未来的研究提出了新的问题和挑战。例如，目前物理学家尚不清楚奇异金属中的纠缠和不规则结构是如何产生的，以及它们是这种不寻常行为的原因还是结果。进一步的实验和理论发展将是深入研究这些奥秘的关键所在。

总的来说，这个新理论为理解奇异金属的怪异行为提供了一个有希望的框架，它使得奇异金属不再那么奇异。研究人员称，或许这些材料现在更适合被称为“不寻常的金属”，而不再是奇异金属。

参考来源：

https://www.simonsfoundation.org/2023/08/17/we-finally-know-why-quantum-strange-metals-are-so-strange/

https://www.world-today-news.com/unveiling-the-mechanism-behind-the-peculiar-behavior-of-strange-metals-a-breakthrough-in-condensed-matter-physics/

封面图&首图：Lucy Reading-Ikkanda/Simons Foundation