Physiker erforschen Geheimnisse seltsamer Metalle

Physiker lernen mehr über das bizarre Verhalten „seltsamer Metalle“, die außerhalb der normalen Regeln der Elektrizität operieren.

Der theoretische Physiker Yashar Komijani, Assistenzprofessor an der University of Cincinnati, trug zu einem internationalen Experiment bei, bei dem ein seltsames Metall aus einer Legierung von Ytterbium, einem Seltenerdmetall, verwendet wurde. Physiker in einem Labor in Hyogo, Japan, feuerten radioaktive Gammastrahlen auf das seltsame Metall, um sein ungewöhnliches elektrisches Verhalten zu beobachten.

Unter der Leitung von Hisao Kobayashi von der University of Hyogo und RIKEN wurde die Studie in veröffentlicht das Tagebuch Wissenschaft. Das Experiment zeigte ungewöhnliche Schwankungen in der elektrischen Ladung des seltsamen Metalls.

„Die Idee ist, dass sich in einem Metall ein Meer von Elektronen auf einem Gitter aus Ionen im Hintergrund bewegt“, sagte Komijani. „Aber mit der Quantenmechanik passiert etwas Wunderbares. Sie können die Komplikationen des Ionengitters vergessen. Stattdessen verhalten sie sich wie in einem Vakuum.“

Komijani erforscht seit Jahren die Geheimnisse seltsamer Metalle in Bezug auf die Quantenmechanik.

„Sie können etwas in eine Black Box stecken und ich kann Ihnen viel darüber erzählen, was sich darin befindet, ohne es auch nur anzusehen, indem ich einfach Dinge wie Widerstand, Wärmekapazität und Leitfähigkeit messe“, sagte er.

„Aber wenn es um seltsame Metalle geht, habe ich keine Ahnung, warum sie ihr Verhalten zeigen. Das Rätsel ist, was in diesem seltsamen System vor sich geht. Das ist die Frage.“

Seltsame Metalle sind für ein breites Spektrum von Physikern von Interesse, die alles von der Teilchenphysik bis zur Quantenmechanik studieren. Ein Grund dafür ist ihre ungewöhnlich hohe Leitfähigkeit, zumindest bei extrem kalten Temperaturen, die ihnen Potenzial als Supraleiter für Quantencomputer verleiht.

„Das wirklich Aufregende an diesen neuen Ergebnissen ist, dass sie einen neuen Einblick in die innere Maschinerie des seltsamen Metalls geben“, sagte der Co-Autor der Studie, Piers Coleman, ein angesehener Professor an der Rutgers University.

„Diese Metalle bilden die Leinwand für neue Formen elektronischer Materie – insbesondere exotische und Hochtemperatur-Supraleitung“, sagte er.

Coleman sagte, es sei noch zu früh, um darüber zu spekulieren, welche neuen Technologien seltsame Metalle inspirieren könnten.

„Es heißt, nachdem Michael Faraday den Elektromagnetismus entdeckt hatte, fragte der britische Kanzler William Gladstone, wozu er gut sei“, sagte Coleman. „Faraday antwortete, dass er es zwar nicht wisse, aber sicher sei, dass die Regierung es eines Tages besteuern werde.“

Faradays Entdeckungen eröffneten eine Welt voller Innovationen.

„Uns geht es in Bezug auf das seltsame Metall ein bisschen ähnlich“, sagte Coleman. „Metalle spielen heute eine so zentrale Rolle – Kupfer, das archetypische konventionelle Metall, steckt in allen Geräten, allen Stromleitungen, überall um uns herum.“

Coleman sagte, dass seltsame Metalle eines Tages in unserer Technologie genauso allgegenwärtig sein könnten.

Das Japan-Experiment war zum Teil bahnbrechend, weil Forscher die Gammateilchen mit einem Teilchenbeschleuniger namens Synchrotron erzeugten.

„In Japan verwenden sie ein Synchrotron wie am CERN [the European Organization for Nuclear Research] das ein Proton beschleunigt und gegen eine Wand schlägt und einen Gammastrahl aussendet“, sagte Komijani. „Sie haben also eine On-Demand-Quelle für Gammastrahlen, ohne radioaktives Material zu verwenden.“

Forscher verwendeten Spektroskopie, um die Auswirkungen von Gammastrahlen auf das seltsame Metall zu untersuchen.

Die Forscher untersuchten auch die Geschwindigkeit der elektrischen Ladungsschwankungen des Metalls, die nur eine Nanosekunde dauern – eine Milliardstel Sekunde. Das mag unglaublich schnell erscheinen, sagte Komijani.

„Aber in der Quantenwelt ist eine Nanosekunde eine Ewigkeit“, sagte er. „Wir haben uns schon lange gefragt, warum diese Schwankungen eigentlich so langsam sind.