无论金属中的电子有多努力试图表现得像守规矩的司机，但它们最终更像一群驾驶碰碰车的疯狂司机。然而，康奈尔大学领导的一项新研究证实，这种混乱的“交通”有一个由量子力学定律确定的极限。
该团队与加拿大谢布鲁克大学的Louis Taillefer领导的研究人员合作撰写的论文《从各向同性的普朗克散射率看线性温度电阻率》于7月28日发表在《自然》杂志。该论文的主要作者是康奈尔大学Kavli研究所纳米科学博士后Gael Grissonnanche。
当电子都串联在一起运动时，金属会携带电流。在大多数金属中，例如用于电线的铜和金，电子试图避开对方，统一流动。然而，在某些“奇怪”的金属中，这种和谐被打破了，电子以最快的速度相互反弹而耗散能量。量子力学定律本质上扮演着电子交通警察的角色，规定了这些碰撞能够发生的频率的上限。科学家们以前观察到了这个碰撞率的极限，这被称为“普朗克极限”，但没有具体的理论来解释为什么会存在这个极限，也不知道电子是如何在奇怪的金属中达到这个极限的。所以研究人员开始仔细测量它。
“根据经验，我们已经知道电子只能以如此快的速度相互反弹。但是我们不知道为什么，”文理学院 Dick & Dale Reis Johnson 助理教授、该论文的资深作者Brad Ramshaw说。“我们做了一个非常仔细的测量和计算，并表明‘普朗克极限’确实被服从到了细微之处。而且我们发现它是各向同性的，所以它对在任何方向上运行的电子都是一样的。这是一个很大的惊喜”。
研究人员将他们的研究集中在一种被称为杯状物的铜氧化物基高温超导体上。他们与佛罗里达州塔拉哈西国家高磁场实验室的合作者合作，将一个铜氧化物金属样品引入一个45特斯拉混合磁铁（该磁铁保持着创造最高连续磁场的世界纪录），并记录了样品电阻的变化，同时改变了磁场的角度。然后，Ramshaw的团队花了两年的时间创建了数字数据分析软件，以提取相关的信息。
令人惊讶的是，他们能够用用于传统金属的相同的相对简单的方程式来分析他们的数据，他们发现杯状金属的电子服从于普朗克极限。
Grissonnanche表示，“我们成功将这种简单的方法的有效性扩展到了奇怪的金属上，并准确地测量了普朗克极限，揭开了奇怪金属中电子激烈运动背后的谜团”。
Ramshaw认为，其他研究人员现在可能会使用这个计算框架来分析一类广泛的实验问题和现象。毕竟，如果它在奇怪的金属中起作用，它应该在许多其他领域起作用。
而且，也许那些奇怪的金属比以前认为的更有序一些。“我们已经有了这些疯狂复杂的微观成分和量子力学，然后，从另一边，我们得到了一个非常简单的规律，即散射率只取决于温度，而不是其他，其斜率等于我们知道的自然界的基本常数。而这种从如此复杂的成分中出现的简单的东西真的很美，很有说服力。”
这样的发现也可能使人们更深入地了解量子系统和引力中类似现象之间的联系，例如黑洞的物理学--实际上，在量子力学和它们在广义相对论中的“双重”理论之间架起了桥梁，这是科学家近一个世纪以来一直试图调和的两个物理学分支。
前瞻经济学人APP资讯组
参考资料
https://www.eurekalert.org/news-releases/923783