물리학

Aug 14, 2023

소위 이상한 금속의 전류 운반 능력은 알려진 전기 규칙을 무시합니다. 이제 뉴욕 Flatiron Institute의 Aavishkar Patel과 그의 동료들은 그 이유에 대해 설명했습니다[1]. 그들은 이 결과가 과학자들이 이상한 금속성이 전구체 상태인 고온 초전도성을 나타내는 새로운 물질을 찾는 데 도움이 될 수 있다고 말합니다.

구리판을 가열하면 전기 저항(재료가 전류 흐름을 방해하는 정도)이 온도의 제곱에 따라 증가합니다. 그러나 구리에 산소, 란타늄, 바륨을 추가하면 동작이 갑자기 변합니다. 생성된 구리산염 물질은 매우 낮은 온도에서는 전기 저항이 없지만 온도가 높아질수록 저항은 온도에 따라 선형적으로 증가하므로 구리와 같은 일반 금속보다 열악한 도체가 됩니다. 열을 흡수하고 빠르게 진동하는 전류를 전달하는 능력을 포함하여 재료의 다른 특성도 비정상입니다. "그러나 저항률 변화가 가장 눈에 띕니다"라고 Patel은 말합니다.

과학자들은 1986년에 처음으로 이러한 저항의 기이함을 발견했지만 그 기원을 설명하는 데 어려움을 겪었습니다. 작년에 실험을 통해 큐레이트의 무저항 거동(초전도성)을 설명하는 이론이 확인되었습니다. 이제 이론가들은 큐레이트 및 기타 물질에서 관찰되는 선형 저항 경향(이상한 금속성)에 대한 설명을 갖고 있습니다(관점: 그래핀이 그 이상한 측면을 드러냄 참조).

이상한 금속이 일반 금속보다 전도율이 떨어지는 이유를 이해하기 위해 Patel과 그의 동료들은 전류의 전달자인 물질의 전자에 눈을 돌렸습니다. 재료가 더 낮은 온도에서 더 큰 저항을 가지려면 연구팀은 전자가 더 느리게 움직여야 한다고 생각했습니다. 그런데 왜?

연구팀이 고려한 한 가지 가능한 원인은 전자 사이의 충돌이 증가했기 때문에 이론적으로 입자의 속도가 느려지고 저항이 증가한다는 것입니다. 충돌이 증가하면 실제로 개별 전자의 운동량이 바뀔 수 있습니다. 그러나 연구팀은 전체 운동량(소위 질량 중심 운동량)이 변하지 않은 상태로 유지되기 때문에 이러한 변화 자체가 저항에 영향을 미치지 않는다는 사실을 발견했습니다. 일부 전자는 속도가 느려지고 다른 전자는 속도가 빨라지므로 "충돌을 늘리는 것만으로는 효과가 없습니다"라고 Patel은 말합니다.

팀이 고려한 또 다른 가능성은 물질의 잠재적 에너지 환경의 불균일성이었습니다. 연구팀은 이러한 "울퉁불퉁한 지형"을 횡단하면 충돌 여부에 관계없이 전자의 질량 운동량 중심이 변경된다는 것을 보여주었습니다. 그러나 이 시나리오에서 온도에 따른 저항은 이상한 금속이 아닌 일반 금속에서 나타나는 저항과 일치합니다. Patel은 “우리는 뭔가 다른 일이 일어나고 있음을 깨달았습니다.”라고 말했습니다.

그것은 또 다른 얽힘으로 밝혀졌습니다. 연구진은 전자를 매우 얽힌 상태로 모델링하여 울퉁불퉁한 지형에서 전자 얽힘의 강도가 물질의 얽힘이 발생한 위치에 따라 다르다는 것을 발견했습니다. 이러한 얽힘의 비균질성은 전자의 운동량과 전자가 충돌하는 빈도 모두에 무작위성을 추가합니다(국소적 얽힘이 강할수록 충돌이 더 자주 발생함).

이제 물질을 통해 모든 것이 한 방향으로 흐르는 대신 전자가 모든 방향으로 이동합니다. 이러한 불규칙성은 전자가 집합적으로 이동할 때 발견되는 것보다 훨씬 더 큰 질량 중심 운동량 감소를 유도합니다. 또한 해당 저항의 온도 의존성을 실험에서 볼 수 있는 선형 의존성을 따르도록 변경합니다. "이러한 얽힘과 불균일성의 상호 작용은 새로운 효과입니다."라고 Patel은 말합니다. "비교적 간단한 연결임에도 불구하고 이전에는 고려된 적이 없었습니다."

무질서한 시스템에서 전자의 집단적 행동을 연구하는 미네소타 대학의 응집물질 이론가인 라파엘 페르난데스(Rafael Fernandes)는 “이 연구는 매우 중요한 문제에 대한 신선하고 새로운 관점을 제공합니다.”라고 말했습니다. “그들은 재료의 세부 사항에 의존하지 않는 이상한 금속 거동에 대한 보편적인 메커니즘을 발견했을 뿐만 아니라, 강하게 상관된 재료에서 전자 상호 작용을 생각하는 방법에 대한 개념적 발전을 제공했습니다. 아름다워요.”