Wissenschaftler identifizieren Mechanismus, der die charakteristischen Eigenschaften „seltsamer Metalle“ erklärt

Fast 40 Jahre lang haben Materialien, die als „seltsame Metalle“ bezeichnet werden, die Quantenphysiker verblüfft und sich jeder Erklärung widersetzt, da sie außerhalb der normalen Regeln der Elektrizität agieren.

Jetzt hat eine von Aavishkar Patel vom Center for Computational Quantum Physics (CCQ) des Flatiron Institute in New York City geleitete Forschung endlich einen Mechanismus identifiziert, der die charakteristischen Eigenschaften seltsamer Metalle erklärt.

In der Ausgabe vom 18. August von Wissenschaftpräsentieren Patel und seine Kollegen ihre universelle Theorie, warum seltsame Metalle so seltsam sind – eine Lösung für eines der größten ungelösten Probleme in der Physik der kondensierten Materie.

In vielen Quantenmaterialien findet sich ein seltsames Metallverhalten, darunter auch einige, die mit kleinen Änderungen zu Supraleitern werden können (Materialien, in denen Elektronen bei ausreichend niedrigen Temperaturen ohne Widerstand fließen). Dieser Zusammenhang legt nahe, dass das Verständnis seltsamer Metalle Forschern dabei helfen könnte, neue Arten der Supraleitung zu identifizieren.

Die überraschend einfache neue Theorie erklärt viele Kuriositäten über seltsame Metalle, beispielsweise warum die Änderung des elektrischen Widerstands – ein Maß dafür, wie leicht Elektronen als elektrischer Strom durch das Material fließen können – direkt proportional zur Temperatur ist, selbst bis hin zu extrem niedrigen Temperaturen. Diese Beziehung bedeutet, dass ein fremdes Metall dem Elektronenfluss bei gleicher Temperatur mehr Widerstand entgegensetzt als ein gewöhnliches Metall wie Gold oder Kupfer.

Die neue Theorie basiert auf einer Kombination zweier Eigenschaften seltsamer Metalle. Erstens können sich ihre Elektronen quantenmechanisch miteinander verschränken und so ihr Schicksal binden, und sie bleiben auch dann verschränkt, wenn sie weit voneinander entfernt sind. Zweitens weisen seltsame Metalle eine ungleichmäßige, patchworkartige Anordnung der Atome auf.

Keine der beiden Eigenschaften allein erklärt die Eigenartigkeit seltsamer Metalle, aber zusammengenommen „passt einfach alles zusammen“, sagt Patel, der als Flatiron Research Fellow am CCQ arbeitet.

Die Unregelmäßigkeit der atomaren Anordnung eines seltsamen Metalls bedeutet, dass die Elektronenverschränkungen variieren, je nachdem, wo im Material die Verschränkung stattgefunden hat. Diese Vielfalt verleiht dem Impuls der Elektronen Zufälligkeit, wenn sie sich durch das Material bewegen und miteinander interagieren. Anstatt dass alle zusammenfließen, stoßen die Elektronen sich gegenseitig in alle Richtungen, was zu einem elektrischen Widerstand führt. Da die Elektronen umso häufiger kollidieren, je heißer das Material wird, steigt mit der Temperatur auch der elektrische Widerstand.

„Dieses Zusammenspiel von Verschränkung und Ungleichmäßigkeit ist ein neuer Effekt; er wurde noch nie zuvor für irgendein Material in Betracht gezogen“, sagt Patel. „Rückblickend ist es eine äußerst einfache Sache. Lange Zeit haben die Leute die ganze Geschichte mit den seltsamen Metallen unnötig kompliziert gemacht, und das war einfach nicht das Richtige.“

Patel sagt, dass ein besseres Verständnis seltsamer Metalle Physikern dabei helfen könnte, neue Supraleiter für Anwendungen wie Quantencomputer zu entwickeln und zu optimieren.

„Es gibt Fälle, in denen etwas supraleitend werden möchte, dies aber nicht ganz tut, weil die Supraleitung durch einen anderen konkurrierenden Zustand blockiert wird“, sagt er. „Man könnte sich dann fragen, ob das Vorhandensein dieser Ungleichmäßigkeiten diese anderen Zustände, mit denen die Supraleitung konkurriert, zerstören und den Weg für die Supraleitung frei machen kann.“

Da seltsame Metalle nun etwas weniger seltsam sind, erscheint der Name möglicherweise weniger passend als früher. „Ich würde sie an dieser Stelle gerne als ungewöhnliche Metalle bezeichnen, nicht als seltsam“, sagt Patel.

Patel war Co-Autor der neuen Studie mit Haoyu Guo, Ilya Esterlis und Subir Sachdev von der Harvard University