凝聚態物理學的重大挑戰
科學家已經非常了解溫度會如何影響像銅、銀等大多數尋常金屬的導電性。但近40年來，一些被稱為「奇異金屬」的材料，卻一直困擾著量子物理學家。這些材料的運行規律超出了傳統的電學規則，讓人無從理解。
奇異金屬行為最早是在一類被稱為銅氧化物的材料中發現的，這些銅氧化物可以在遠高於普通超導體的溫度下以零電阻導電。與其他尋常金屬相比，奇異金屬在超導臨界溫度以上的行為也很奇怪，它們的電阻率會表現出不尋常的變化：隨著溫度升高，電阻率會以嚴格的線性方式隨溫度升高；而在尋常金屬中，電阻率會隨溫度的平方升高。因此在臨界溫度以上，奇異金屬的電阻率比尋常金屬的更高。
奇異金屬的行為。(圖片素材/Lucy Reading-Ikkanda/Simons Foundation)
物理學家認為，了解奇異金屬的這些特殊性質，可能是理解高溫超導性的關鍵，並且也將有助於發現新的超導性。在一項新發表於《科學》雜誌的研究中，一組物理學家提出了一種能夠解釋奇異金屬為何會表現出一些奇特行為的通用理論，為解決這個被認為是凝聚態物理學中最大挑戰之一做出了突破性進展。
一個出奇簡單的理論
在新的研究中，一組物理學家基於奇異金屬的兩種性質，提出了一個出奇簡單的新理論，解釋了奇異金屬的許多怪異現象。
首先，它們的電子可以相互糾纏，因此一個電子的「命運」會影響其電子的「命運」，即使它們相隔很遠，這種糾纏仍然存在。第二，奇異金屬有著不均勻的、類似補丁一樣的隨機的原子結構。
單獨來看，這兩種性質都不能解釋奇異金屬的奇特之處。然而，當將它們結合在一起時，一個全面的解釋就出現了：當糾纏和不規則的原子結構結合在一起時，它們會產生一種獨特的情況，使得電子無法自由移動，導致金屬表現出異常的違反傳統電學法則的導電性。
具體來說，在奇異金屬中，不規則排列的原子結構會導致電子糾纏出現變化，這與糾纏在材料中發生的位置有關。當電子在材料中移動並相互作用時，這種隨機性會影響電子的動量。這些電子不是平滑地一起流動，而是從各個方向相互碰撞，從而產生電阻。隨著材料溫度升高，電子就會更頻繁地碰撞，減慢電流的流動，導致電阻升高。
糾纏與奇異的結構。(圖片素材/Lucy Reading-Ikkanda/Simons Foundation)
為了驗證他們的理論，研究人員使用了一種計算方法來類比電子在奇異金屬中的行為。他們發現，糾纏和不規則的原子結構會產生「瓶頸效應」，使得電子被限制在有限的路徑上運動。這種受限運動導致了奇異金屬中的奇特行為。
不再奇異？
糾纏與非均勻性的相互作用是一種新效應，它非常簡單。研究人員表示，也許在過去的很長一段時間裡，物理學家都把奇異金屬為何奇特的故事過於複雜化了。
研究人員希望，這一新的理論能夠為超導領域的新發現鋪平道路。通過了解奇異金屬行為的起源，科學家們或許能夠設計出具有類似特性的材料，從而在能量傳輸和資訊儲存方面取得進展。
然而，該研究也為未來的研究提出了新的問題和挑戰。例如，目前物理學家尚不清楚奇異金屬中的糾纏和不規則結構是如何產生的，以及它們是這種不尋常行為的原因還是結果。進一步的實驗和理論發展將是深入研究這些奧秘的關鍵所在。
總的來說，這個新理論為理解奇異金屬的怪異行為提供了一個有希望的框架，它使得奇異金屬不再那麼奇異。研究人員稱，或許這些材料現在更適合被稱為「不尋常的金屬」，而不再是奇異金屬。
#創作團隊：
編譯：小雨
排版：雯雯
#參考來源：
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/
#圖片來源：
封面圖&首圖：Lucy Reading-Ikkanda/Simons Foundation