自20世紀80年代起，一些被稱為「奇異金屬」的材料的電學特性，一直困擾著量子物理學家。其中一個令人困惑的問題便是，在奇異金屬中，電荷究竟是如何移動的？一直以來，物理學家都將普通金屬中的電流，理解為帶電粒子的流動。但在最新發表於《科學》雜誌的一項研究中，研究人員證明了，至少在一種奇異金屬中，這種理解是不恰當的。

反常的線性關係

奇異金屬的行為最早是在一類被稱為銅氧化物的材料中發現的，它們不僅可以在遠高於普通超導體的臨界溫度下表現出超導性；在超導臨界溫度以上，它們的電阻率還會以嚴格的線性方式隨溫度升高。

電阻率與溫度的線性關係，威脅到了一個解釋電荷如何在金屬中移動的著名理論。這個理論是由物理學家列夫·朗道（Lev Landau）於1956年提出的費米液體理論。簡單來說，朗道提出，在普通金屬中，當一個電子在電子流體中移動時，附近的電子會受到它的干擾，通過一系列複雜的相互作用後，這些電子最終會在一種被稱為「準粒子」的團塊中，集體性地行進。

費米液體理論的神奇之處在於，每一個準粒子的行為幾乎完全像一個單一的基本電子。因此物理學家可以繼續將電流視為「電子」的運動，只是這裡的「電子」實際上是一個準粒子。

根據費米液體理論，在普通金屬中，電阻率並不是以線性方式隨溫度上升，而是隨溫度的平方升高。隨著越來越多的奇異金屬被發現，物理學家開始疑惑為什麼費米液體理論會在這些奇異金屬中失效。物理學家開始懷疑，或許在奇異金屬中，根本沒有準粒子。但是，他們一直缺乏直接的實驗證據來證實這種猜測。

被抑制的散粒噪聲

在這項新研究中，為了了解奇異金屬中的電流，研究小組對一種奇異金屬的散粒噪聲進行了測量。通過測量散粒噪聲，研究人員可以測量電荷流過導體時的顆粒性。

然而，進行散粒噪聲實驗的一個難點是，這項測試不能在宏觀晶體上進行，而是需要在奈米級的樣品上進行。因此，研究人員必須設法先製造出極薄的、完美的晶體薄膜，然後再設法在保持這種完美水平的情況下，將這些厚度只有人類頭髮1/5000的薄膜製成奈米線。

經過漫長的艱難嘗試，研究人員最終用一種由鐿、銠、矽（YbRh₂Si₂）構成的奇異金屬，製成了近乎完美的金屬線（長約600nm、寬約200nm），其中Yb、Rh、Si的精確比例是1:2:2。

在實驗中，研究人員將YbRh₂Si₂金屬線冷卻到僅比絕對零度高几度的溫度，再讓電流穿過這些奇異金屬的奈米線。與此同時，他們還讓電流通過由普通金製成的奈米線。

結果表明，奇異金屬的奈米線異常「安靜」，電流悄悄地通過奇異金屬的奈米線。與普通金屬奈米線相比，奇異金屬奈米線中的散粒噪聲受到了明顯抑制。研究人員表示，這種抑制不能歸因於費米液體中的電子-聲子或電子-電子相互作用，這表明這種奇異金屬中的電荷，不是以準粒子的形式流動的。

謎題仍在

如果奇異金屬中的電流，不是由像電子一樣的電荷的移動導致的，那麼應該怎樣描述奇異金屬中的電流呢？對此，物理學家們還沒有答案。不過，雖然現在還無法解釋為什麼在奇異金屬內部電荷似乎會「溶解」，但這項研究結果首次通過測量散粒噪聲，為證明電似乎能以一種不尋常的液體形式流過奇異金屬提供了證據，為理解奇怪金屬的電學性質帶來了全新的見解。

#創作團隊：

撰文：小雨

排版：雯雯

#參考來源：

https://news.rice.edu/news/2023/strange-metal-strangely-quiet-noise-experiment

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abq6100#tab-contributors

https://www.quantamagazine.org/meet-strange-metals-where-electricity-may-flow-without-electrons-20231127/

#圖片來源：

封面圖&首圖：Viscious-Speed / Pixabay