我们终于知道为什么量子奇怪金属如此奇怪

近 40 年来，一种被称为“奇怪金属”的材料一直让量子物理学家感到困惑，因为它的运作超出了正常的电规则，无法解释。

现在，纽约市熨斗研究所计算量子物理中心(CCQ) 的阿维什卡·帕特尔 (Aavishkar Patel) 领导的研究终于确定了一种解释奇怪金属特性的机制。

在 8 月 18 日出版的《科学》杂志上，帕特尔和他的同事提出了他们关于奇异金属为何如此怪异的普遍理论，这是凝聚态物理学中最大的未解决问题之一的解决方案。在许多量子材料中都发现了奇怪的金属行为，包括一些经过微小变化就可以成为超导体(电子在足够低的温度下以零电阻流动的材料)。这种关系表明，了解奇怪的金属可以帮助研究人员识别新型超导性。

这个令人惊讶的简单新理论解释了奇怪金属的许多奇怪之处，例如为什么电阻率的变化(衡量电子作为电流流过材料的难易程度)与温度成正比，甚至在极低的温度下也是如此。这种关系意味着在相同温度下，奇怪的金属比金或铜等普通金属更能抵抗电子流动。

新理论基于奇怪金属的两种特性的结合。首先，它们的电子可以通过量子力学相互纠缠，从而束缚它们的命运，即使相距很远，它们仍然保持纠缠。其次，奇怪的金属具有不均匀、拼凑式的原子排列。

CCQ 的熨斗研究员帕特尔说，这两种属性都无法单独解释奇怪金属的奇异之处，但综合起来，“一切都水到渠成”。奇怪金属原子布局的不规则性意味着电子纠缠会根据材料中发生纠缠的位置而变化。当电子穿过材料并相互作用时，这种变化增加了电子动量的随机性。电子不是全部流动在一起，而是在各个方向上相互碰撞，从而产生电阻。由于材料变得越热，电子碰撞就越频繁，因此电阻随着温度而升高。

“纠缠和不均匀性的相互作用是一种新效应;以前从未考虑过使用任何材料，”帕特尔说。“现在回想起来，这是一件极其简单的事情。很长一段时间以来，人们把奇怪金属的整个故事变得不必要地复杂化，这不是正确的做法。”

帕特尔说，更好地了解奇怪的金属可以帮助物理学家开发和微调用于量子计算机等应用的新型超导体。

“在某些情况下，有些东西想要超导，但并没有完全实现，因为超导性受到另一个竞争状态的阻碍，”他说。“那么人们可能会问，这些不均匀性的存在是否会破坏超导与之竞争的其他状态，并为超导开辟道路。”

现在奇怪的金属不再那么奇怪了，这个名字可能看起来不像以前那么合适了。“在这一点上，我想称它们为不寻常的金属，并不奇怪，”帕特尔说。

帕特尔与哈佛大学的郭浩宇、亚·埃斯特利斯和苏比尔·萨奇德夫共同撰写了这项新研究。

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