奇異金屬變得更奇怪了…

1911年，當物理學家昂內斯（Kamerlingh Onnes）用液氦將金屬汞的溫度降低到4 K（?269.15 °C）以下時，神奇的事情發生了：電阻完全消失了！他發現的正是所謂的超導現象。到了1933年，邁斯納（Walther Meissner）和奧克森菲爾德（Robert Ochsenfeld）發現，處於超導態時，超導體內部磁場為零，對磁場完全排斥，這就是超導體的完全抗磁性。零電阻與完全抗磁性是超導體的兩大特徵。

超導體完全抗磁性的實驗圖。在注滿液氦的杜瓦瓶中，圓柱體形狀的金屬錫被置於磁場中，當溫度從4.2 K降低至1.6 K時，電磁鐵的磁場強度保持不變，但錫在大約3K時成了超導體，可以從眾多小磁極的指向中看到，磁通量被排斥到圓柱體之外。| 圖片來源：Wikipedia

普通的金屬超導體通常必須用液氦冷卻到溫度低於30 K（?243.2 °C）時才會轉變為超導態。一直以來，物理學家們都在努力尋找一種室溫下的超導體。1986年，Georg Bednorz和K. Alex Müller發現，在溫度降低到35 K（?238.2 °C）時，陶瓷性金屬氧化物LaBaCuO會轉變為超導態。他們的發現開啟了銅基高溫超導體的時代。

1900年-2015年超導體的發現歷史。綠色圓形：金屬超導體；藍色菱形：銅基高溫超導體；橙色方塊：鐵基超導體。2015年，科學家發現，H?S在155 GPa的超高壓下，當溫度降低到203 K（-70 °C）時轉變為超導態，這是目前所知的轉變溫度最高的超導體。| 圖片來源：Wikipedia

近日，在美國佛羅里達州立大學的國家強磁場實驗室（MagLab）中，科學家在銅酸鹽（cuprate）高溫超導材料La(2-x)SrxCuO4（LSCO）中發現了一種行為，表明它們傳導電流的方式與傳統的金屬（例如銅）截然不同。這項研究發表在《科學》雜誌上，為這種材料的昵稱——「奇異金屬」又增添了新的內涵。

銅酸鹽是高溫超導體（HTS），也就是說，相比於傳統的低溫超導體（LTS），它可以在較高溫度下、沒有任何能量損失地傳導電流。儘管科學家理解低溫超導的物理機制，但高溫超導材料的奧秘卻始終沒有被破解。電子究竟是如何在這些材料中傳導的，仍然是這個領域最大的謎團。

探尋「奇異」金屬正常態的電子傳導方式

MagLab的物理學家Arkady Shekhter帶領的團隊專註於研究LSCO正常的金屬態（當溫度降到足夠低時，導體從金屬態轉變為超導態）。這種銅酸鹽的正常態被認為是「奇異」金屬，或者「壞」金屬，部分原因是電子不能夠特別好地傳導電流。

Arkady Shekhter帶領的團隊在MagLab進行實驗，MagLab有著100特斯拉的脈衝磁體。| 圖片來源：National High Magnetic Field Laboratory

從一個多世紀以前，科學家就已經開始研究傳統金屬了，並且普遍同意傳統金屬是如何導電的。他們將這些金屬中攜帶電荷的單元稱為「准粒子」（quasiparticle）。當電子在導體中移動時，會與導體中的其他電子和原子核相互作用，電場受到屏蔽，質量也受到干擾，這樣的電子可以被看作是一個有著「有效質量」的電子不受擾動地在真空中移動，也就是所謂的電子准粒子。當這些准粒子在導體中攜帶電荷時，它們的行為是彼此近乎獨立的。

但是，准粒子流也能解釋電流在銅酸鹽中是如何傳導的嗎？利用位於新墨西哥州洛斯阿拉莫斯的MagLab脈衝場設備（Pulsed Field Facility），Shekhter及其團隊研究了這一問題。他們將LSCO置於非常強的磁場中，加上電流，然後測量其電阻。

由此得出的數據顯示，事實上，電流不能像在銅或者摻雜的硅中那樣，通過傳統的准粒子傳導。實驗中出現的酮酸鹽的正常金屬態一點都不「正常」。

Shekhter說：「這是金屬傳導電流的一種新方式，不同於迄今為止科學家們唯一理解並達成共識的那種方式——一堆准粒子飛來飛去，像大多數金屬那樣。」

如果不是通過准粒子，在LSCO的奇異金屬相，電荷究竟是如何傳導的呢？數據表明，可能是通過電子之間的某種集體協作。

科學家之前就已經知道LSCO的一個有趣行為：在正常導電狀態下，其電阻與溫度成正比。也就是說，當溫度上升時，LSCO對電流的阻礙作用成比例地增加，在傳統金屬中則並非如此，而是與溫度的平方成正比。

Shekhter和同事決定，以磁場而非溫度作為參量測試LSCO的電阻率。他們將材料置於最強為80特斯拉（相比之下，醫院MRI產生的磁場約為3特斯拉）的磁場中，測量其電阻率。他們發現了另一種線性電阻率的情況：隨著磁場強度增加，LSCO的電阻率成比例地上升。這也不同於普通金屬材料中電阻率與磁場強度平方成正比的關係。

（A）從4K到180K的一系列溫度下，電阻率與磁感應強度的關係圖。從圖中可見，在普通金屬態（高於轉變溫度，低磁場下的非超導態），電阻率與磁感應強度成正比。（B）電阻率-磁感應強度變化率（圖A中的斜率）與溫度的關係，可以看到，在低溫下，電阻率-磁感應強度變化率趨向飽和，也就是說，電阻率與磁感應強度成正比。（C）從0T到80T的一系列磁感應強度下，在普通金屬態，電阻率與溫度成正比。| 圖片來源：DOI：10.1126/science.aan3178

Shekhter說，LSCO的電阻率與磁場強度的線性關係，與之前已知的電阻率與溫度的線性關係優雅地形成了一種鏡像對照，這一事實非常重要。「通常當我們看到這種現象時，意味著在它的背後有著一個非常簡單的原理。」

這項發現表明，當電子在材料中移動時，它們似乎會相互配合。一段時間以來，物理學家一直認為高溫超導材料在超導相會表現出這種「關聯電子行為（correlated electron behavior）」，儘管其精確的機制還尚不清楚。

這個新的證據表明，LSCO 在正常導電態下也可能是以獨立的准粒子之外的某種物質來傳導電流的，儘管這種物質也不是超導的。至於這種物質到底是什麼，科學家還並不確定。要找到答案可能需要以全新的方式來看待問題。

Shekhter說：「我們遇到了任何現存的語言都無法描述的情況，我們需要找到一種新的語言來思考這些材料。」

新的研究引發了許多問題，以及一些令人著迷的想法，包括能夠以本質上不同的方式調節酮酸鹽電阻率的想法。Shekhter解釋說，在傳統金屬材料中，可以通過多種方式來調節電阻率——想像一套按鈕，按動其中任何一個按鈕都會調節這一屬性。對於酮酸鹽，只有一個按鈕可以調節電阻率，而且溫度和磁場強度以各自的方式按動這一個按鈕。

確實很奇怪。但是對於奇異金屬，期待再多也不為過。

參考來源：

http://news.cornell.edu/stories/2018/08/strange-metal-superconductors-just-got-stranger

https://phys.org/news/2018-08-material-unique-behavior-current.html

DOI: 10.1126/science.aan3178，Scale-invariant magnetoresistance in a cuprate superconductor

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