Das Material, das sowohl leitet den Strom – und nicht


Metalle, die Durchführung von Strom- und Isolatoren, die dies nicht tun, sind Gegensätze. Zumindest das ist, was wir bisher geglaubt haben. Aber wir haben herausgefunden, dass eine bekannte Isolator wie ein Dirigent in bestimmte Messungen gleichzeitig wirken kann. Wir wissen noch nicht einmal den Grund für dieses geheimnisvolle Verhalten, aber es ist wahrscheinlich, durch neue und aufregende Quanteneffekte.

Der Befund ist überraschend, weil Elektronen in Isolatoren wie Glas, weitgehend an einer Stelle feststecken nachgeben hohe Beständigkeit gegen den Stromfluss. Auf der anderen Seite fließen Elektronen in leitende Materialien wie Metalle über große Entfernungen. Wie können Sie möglicherweise Elektronen Verhalten in beide Richtungen in einem einzigen Material?

Eine Möglichkeit ist, einen Sandwich, bestehend aus einer Oberfläche, die nebeneinander mit einem Großteil durchführt, die Isolierung ist zu haben. Eine Kategorie von Materialien bekannt als topologische Isolatoren hat vor kurzem entdeckt worden, um diese Eigenschaft haben. Aber was wir fanden ein Material ist, in denen der Großteil selbst verhält sich als ein Metall und ein Isolator.

Kristallklare?

Das Material wir erforscht ist eine bekannte Isolator, der ist seit den 1960er Jahren untersucht worden und hat bereits Interesse jüngerer aufgrund seines Potentials topologische isolierende Verhalten: Samarium-Hexaborids.

Wir haben die Entdeckung durch die Anwendung eines magnetischen Feldes und Wellenbewegungen in Probeneigenschaften wie Widerstandsfähigkeit und Magnetisierung – eine Eigenschaft, bekannt als "Quantum Oscillations" suchen.

Diese Quanten-Schwingungen sind von Natur aus eine Eigenschaft von Metallen, wo sie plane eine Konstruktion, bekannt als der "Fermi Oberfläche", entspricht etwa die Geometrie durch die Bahnen der Elektronen im Material zurückgeführt. Auf diese Weise zeigen sie Details über die Bewegung der Elektronen – weshalb die Messung in der Regel verwendet wird, um die Eigenschaften der leitende Materialien besser zu verstehen.

So kam es wie ein Schock, als wir eine kleine Probe des Isolationsmaterials auf ein Freischwinger in einem magnetischen Feld platziert, und schnelle wackelt auf dem Bildschirm anzeigt, dass die Elektronen charakteristisch für ein Metall lange Strecken unterwegs waren.

"Sie merken, das ist unmöglich," war mein Kollege erste Reaktion, als ich ihm, die Nachricht sagte. Die nächste Überraschung war, als wir das Material weiter, nahe dem absoluten Nullpunkt abgekühlt (was ist Null Kelvin oder-273 Grad Celsius). Wir fanden dann, das war nicht nur das Material trotzt Prognosen von isolierenden Verhalten, es war auch schwer Verletzung der Regeln für konventionelle Metalle.

Das unerklärliche zu erklären

Wie können wir den scheinbaren Widerspruch innewohnt, ein Material, das ein Metall und ein Isolator ist lösen? Eine Möglichkeit ist, dass im Gegensatz zu heutigem Verständnis Elektronen in bestimmten Isolatoren irgendwie Verhalten können, als wären sie in einem Metall.

Dieses Verhalten kann die seltsamen Eigenschaften der Quantenmechanik beinhalten. Nach der Quantenmechanik können Partikel zwei Staaten gleichzeitig besetzen.

Deshalb ist die berühmte Schrödingers Katze tot und lebendig sein kann. Schrödingers Katze ist ein Gedankenexperiment, in dem eine arme Katze in einer Box mit einem Kolben des Giftes und einer radioaktiven Quelle gesetzt wird. Erkennt ein internen Monitor Radioaktivität, wird der Kolben erschüttert, Freigabe des Giftes, das die Katze tötet. Aber solange wir nicht den Monitor zu überprüfen, haben wir die Katze tot und lebendig zu halten.

Auf diese Weise könnte das seltsame Verhalten unseres Materials durch die Tatsache erklärt werden, dass wir einen neuen Quantenzustand, der schwankt entdeckt haben zwischen einem Metall und einem Isolator.

Es könnte auch sein, dass wir eine neue Quanten-Phase der Materie entdeckt haben. Die Quantenphysik kann dazu führen, dass Billionen von Elektronen in den Materialien zur Ausstellung dramatisch unterschiedlicher Eigenschaften von was sie einzeln tun Kollektiv zu handeln. Unsere Entdeckung eines Materials, die weder eine konventionelle Metall noch eine konventionelle Isolator könnte dieser "emergent" Quantum Phase der Materie.

Ein spannendes Ergebnis unsere Feststellung ist, dass viele kreative theoretischen Vorschläge erfunden wird, sind um potenziell verwirrende Ergebnisse erklären. Um die neue Physik zugrunde liegen unsere Entdeckung zu verstehen, möchten wir weitere Experimente auf qualitativ hochwertige Kristalle zu Vorhersagen der verschiedenen Theorien unterscheiden.

Unabhängig davon, welche die Erklärung entpuppt sich, dürften die Jahrzehnte der konventionellen Weisheit über die fundamentale Dichotomie zwischen Metallen und Isolatoren über auf den Kopf gedreht werden.

Suchitra Sebastian ist Dozent für Physik am Cavendish-Laboratorium an der Universität Cambridge.

Dieser Artikel erschien ursprünglich auf das Gespräch. Lesen Sie den original Artikel.

Bild von Geralt/pixabay

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