非常规金属的表现如何 着眼于高温超导体

普林斯顿大学的一个研究小组利用激光以一种类似棋盘状的模式捕获原子，研究了非常规金属如何产生电阻 - 电流作为热量的损失。

结果可能有助于解释某些类型的由氧化铜制成的超导体如何能够如此有效地导电。该研究于12月6日在线发表在“科学”杂志上。

超导材料是有效传输电能而不会损失任何电流的材料。因为它们不浪费电力，所以它们有可能提高电网的能效。它们也可能为新技术开辟了可能性。

“如果你想更有效地在电力线上运输电力，那么提高我们对这些材料中运输的基本认识将对我们设计更好的材料的能力产生重大影响，”物理学助理教授兼资深作者Waseem Bakr说。研究。

与其他类型的超导体相比，氧化铜超导体因其在相对高温下工作的能力而受到重视。这些材料是1987年诺贝尔物理学奖的主题。

为了探索阻力如何发展，研究人员创造了一个实验，其中包括将原子捕获在由交叉激光束制成的均匀间隔的网格中。由此产生的结构，称为光学晶格，将像蛋一样的原子保存在蛋盒中，或者将棋盘放在棋盘上。

这种设置允许研究人员查看原子之间发生的事情。通常这是不可能的，因为固体中的原子是紧密堆积的。

在这个实验中，原子比典型材料中的原子相距约10,000倍，这使得研究人员可以使用显微镜观察它们。这些微小颗粒保持在极冷的温度 - 几乎是绝对零度的十亿分之一 - 以平息它们的正常跳跃。

研究人员使用这些原子作为电子的替代品，电子是带电粒子的电子。原子比电子更容易成像和操纵。

“我们在光学晶格中的锂原子遵循与真实材料中的电子相同的物理学，”物理学研究生，该研究的第一作者彼得布朗说。“这是有利的，因为我们可以更好地控制我们的系统，而不是使用真实材料 - 例如，我们可以调整原子之间的相互作用并改变原子的密度。”

为了探索阻力如何发展，研究人员将激光束投射到晶格中的原子上，产生穿过原子的密度波纹。该团队测量了波浪消失的速度，这是因为原子相互碰撞而变得不同步。

该团队针对各种不同温度重复实验，每次将原子升温至不同温度，并观察电阻随温度变化的方式。

他们看到发生了两件有趣的事情：一是随着温度的升高，阻力以线性方式增加：温度的升高导致阻力成比例增加。这是令人惊讶的，因为这些系统最简单的理论，称为费米液体理论，预测了不同的温度响应模式，其中电阻随着温度的平方而增加，因此随着温度的升高，电阻率首先缓慢增加然后迅速。

这种对温度的意外线性响应是在氧化铜或“铜酸盐”超导体中看到的。这种行为使这些材料得名“奇怪的金属”，一些研究人员认为理解这种行为可能会揭示高温超导的起源。

该团队的另一个观察结果是，在高温下，电阻超过了理论家在这些系统中预测的可能性。对此的解释是原子不再表现为离散粒子，而是作为量子汤，其中每个粒子不再具有其自身的特征。当系统超过称为Mott-Ioffe-Regel(MIR)限制的理论界限时，就会发生这种状态。物理学家称这些材料为“坏金属”。

这种状态很有意思，因为当粒子散射时会产生阻力，从而像机器中的弹球一样从附近的粒子反弹。超过MIR界限意味着粒子不遵循这个简单的图片。

“常识说粒子不会散射，直到它从另一个粒子反弹。但我们看到的是电阻率不断增加而且不尊重这个界限，”Bakr说。

David Huse，普林斯顿大学的Cyrus Fogg Brackett物理学教授和专门研究相互作用量子物理学的理论家，为实验观察提供了理论上的理解。除了Huse，Brown和Bakr之外，普林斯顿大学的团队还包括研究生Debayan Mitra和Elmer Guardado-Sanchez，以及Dicke博士后研究员Peter Schauss。

该团队与加拿大舍布鲁克大学的Reza Nourafkan，Alexis Reymbaut，Charles-David Hebert，Simon Bergeron和Andre-Marie Tremblay合作;和斯洛文尼亚卢布尔雅那的Jozef Stefan研究所的Jure Kokalj。

在麻省理工学院Martin Zwierlein教授领导的小组中进行了探索光学晶格中冷原子自旋电导率的相关工作，并发表在同一期“科学”杂志上。