اكتشاف تدفق كهربائي غريب يشبه السائل في معادن غريبة: ScienceAlert

يؤدي الضغط على المفتاح الموجود على أي نوع من الأجهزة الكهربائية إلى إطلاق مجموعة من الجزيئات المشحونة التي تتحرك مع إيقاع جهد الدائرة.

لكن اكتشافًا جديدًا في مواد غريبة تُعرف بالمعادن الغريبة، وجد أن الكهرباء لا تتحرك دائمًا بخطوات، ويمكن في الواقع أن تنزف أحيانًا بطريقة جعلت الفيزيائيين يتساءلون عما نعرفه عن طبيعة الجسيمات.

تم إجراء البحث على أسلاك نانوية مصنوعة من توازن دقيق من الإيتربيوم والروديوم والسيليكون (YbRh).₂سي₂).

من خلال إجراء سلسلة من تجارب القياس الكمي على هذه الأسلاك النانوية، كشف باحثون من الولايات المتحدة والنمسا عن أدلة يمكن أن تساعد في تسوية الجدل حول طبيعة التيارات الكهربائية في المعادن التي لا تتصرف بطريقة تقليدية.

تم اكتشافه في أواخر القرن الماضي في فئة من المركبات القائمة على النحاس والمعروفة بعدم وجود مقاومة للتيارات في درجات حرارة دافئة نسبيا، معادن غريبة تصبح أكثر مقاومة للكهرباء عند تسخينها، تمامًا مثل أي معدن آخر.

إلا أنها تفعل ذلك بطريقة غريبة إلى حد ما، حيث تزداد المقاومة بمقدار محدد لكل درجة ارتفاع في درجة الحرارة.

في المعادن العادية، تختلف المقاومة اعتمادًا على درجة الحرارة، وتستقر بمجرد أن تصبح المادة ساخنة بدرجة كافية.

يشير هذا التباين في قواعد المقاومة إلى أن التيارات في المعادن الغريبة لا تعمل بنفس الطريقة تمامًا. لسبب ما، تختلف الطريقة التي تتفاعل بها الجسيمات الحاملة للشحنة في المعادن الغريبة مع تدافع الجسيمات المحيطة بها عن تعرج الإلكترونات في الكرة والدبابيس في شريط السلك المتوسط.

إن ما يمكن أن نتصوره على أنه تيار من الكرات المشحونة سالبًا يتدفق عبر أنبوب من ذرات النحاس هو أمر أكثر تعقيدًا بعض الشيء. فالكهرباء هي في نهاية المطاف مسألة كمومية، حيث تتناغم خصائص عدد من الجسيمات لتتصرف كوحدات مفردة تُعرف باسم أشباه الجسيمات.

إن ما إذا كانت نفس الأنواع من أشباه الجسيمات تفسر سلوكيات المقاومة غير العادية للمعادن الغريبة هو سؤال مفتوح، حيث تشير بعض النظريات والتجارب إلى أن مثل هذه الجسيمات قد تفقد سلامتها في ظل الظروف المناسبة.

ولتوضيح ما إذا كانت هناك مسيرة ثابتة لأشباه الجسيمات في تدفق الإلكترونات في المعادن الغريبة، استخدم الباحثون ظاهرة تسمى الضوضاء النار.

إذا تمكنت من إبطاء وقت الزحف، فإن فوتونات الضوء المنبعثة حتى من الليزر الأكثر دقة سوف تنفجر وتتناثر مع كل إمكانية التنبؤ بدهن لحم الخنزير المقدد الأزيز. هذا “الضجيج” هو سمة من سمات الاحتمالية الكمومية، ويمكن أن يوفر مقياسًا لتفاصيل الشحنات أثناء تدفقها عبر الموصل.

“الفكرة هي أنني إذا كنت أقود تيارًا، فإنه يتكون من مجموعة من حاملات الشحن المنفصلة،” يقول كبير المؤلفين دوج ناتلسون، عالم الفيزياء في جامعة رايس في الولايات المتحدة.

“يصل هؤلاء بمعدل متوسط، لكن في بعض الأحيان يكونون أقرب لبعضهم البعض في الوقت المناسب، وأحيانًا يكونون متباعدين.”

وجد الفريق قياسات لضوضاء الطلقات في عينتهم الرقيقة للغاية من YbRh₂سي₂ تم قمعها بشكل كبير بطرق لم تتمكن التفاعلات النموذجية بين الإلكترونات وبيئتها من تفسيرها، مما يشير إلى أن أشباه الجسيمات ربما لم تكن موجودة.

وبدلا من ذلك، كانت الشحنة أكثر شبها بالسائل من التيارات الموجودة في المعادن التقليدية، وهي النتيجة التي تدعمها نموذج مقترح منذ أكثر من 20 عامًا من قبل المؤلف المساهم كيمياو سي، عالم فيزياء المواد المكثفة من جامعة رايس.

تصف نظرية Si حول المواد التي تقترب من درجات حرارة الصفر الطريقة التي لم تعد بها الإلكترونات الموجودة في مواقع محددة تتشارك في الخصائص التي تسمح لها بتكوين أشباه الجسيمات.

في حين أنه يمكن استبعاد سلوك أشباه الجسيمات التقليدي مبدئيًا، إلا أن الفريق ليس متأكدًا تمامًا من الشكل الذي يتخذه هذا التيار “السائل”، أو حتى ما إذا كان من الممكن العثور عليه في وصفات معدنية غريبة أخرى.

“ربما يكون هذا دليلاً على أن أشباه الجسيمات ليست أشياء محددة جيدًا أو أنها ليست موجودة، وتتحرك الشحنة بطرق أكثر تعقيدًا. علينا أن نجد المفردات الصحيحة للحديث عن كيفية تحرك الشحنة بشكل جماعي.” يقول ناتلسون.

وقد نشر هذا البحث في علوم.