近40年来，被称为“奇异金属”的材料为什么奇异这个问题，一直让物理学家感到困惑，因为奇异金属的工作原理无法用正常的电学规则解释。在最新一期《科学》杂志上，美国纽约熨斗研究所计算量子物理中心（CCQ）团队终于确定了一种解释奇异金属特性的机制。

“奇怪金属”之谜终于终于被揭开

物理学家们为“为什么奇怪的金属会以奇怪的方式导电”这个存在了37年的问题提供了一个优雅的解决方案。

一种新理论解释了奇异金属的不寻常行为，奇异金属被认为是凝聚态物理学中最大的挑战之一。该理论基于奇异金属的两个特性。首先，它们的电子可以在量子力学上相互纠缠，束缚了它们的命运，而且即使相隔很远，它们仍然会纠缠在一起。其次，奇异金属的原子排列不均匀。

由纽约市Flatiron研究所计算量子物理中心的阿维什卡尔-帕特尔领导的最新研究终于揭示了一种机制，可以解释奇异金属的特性。

在 8 月 18 日出版的《科学》（Science）杂志上，帕特尔和他的同事们介绍了他们关于奇怪金属为何如此奇怪的通用理论--这是凝聚态物理学中最大的未决问题之一的解决方案。许多量子材料中都存在奇怪的金属表面，包括一些经过微小改变就能成为超导体（在足够低的温度下电子流动阻力为零的材料）的材料。这种关系表明，了解奇异金属有助于研究人员发现新型超导现象。

这个简单得令人惊讶的新理论解释了奇异金属的许多奇特之处，例如为什么电阻率的变化与温度成正比--电阻率是衡量电子作为电流在材料中流动的容易程度的指标，即使在极低的温度下也是如此。这种关系意味着，在相同温度下，奇异金属比普通金属（如金或铜）对电子流动的阻力更大。

首先，我们要了解一下金属中的电子是如何受到温度的影响的。

一般来说，当金属受热时，其电阻会上升，因为电子与晶格振动的碰撞会增多，导致电流受到阻碍。当温度升高到一定程度时，电阻会趋于恒定，这时金属进入了所谓的常规金属态。但是，在某些特殊的金属中，这种情况并不发生。这些金属的电阻与温度成正比，即温度越高，电阻越大，而且没有上限。这就是奇异金属态。

奇异金属态最早是在1989年被发现的。当时，科学家们在研究一类名为铜酸盐的高温超导体时，发现了这种异常的行为。超导体是一种在低温下可以无损耗地传导电流的材料，它们有着广泛的应用前景。但是，超导体要达到超导状态需要非常低的温度，这给实际使用带来了困难。铜酸盐是一种相对高温的超导体，它们在接近液氮温度（-196℃）时就可以实现超导。科学家们希望通过研究铜酸盐来揭示超导机制，并提高超导临界温度。然而，在他们对铜酸盐进行测量时，却发现了一个意想不到的结果：当铜酸盐处于超导状态和常规金属状态之间的过渡区域时，它们表现出了奇异金属态。

科学家们对这种奇异金属态感到非常困惑，因为它违背了他们对金属行为的基本认识。他们试图找出造成这种现象的原因，但没有得到满意的答 案。他们只知道，这种现象似乎与两个重要的物理常数有关：一个是玻尔兹曼常数，它描述了热运动产生的能量；另一个是普朗克常数，它描述了光子等量子粒子的能量。这两个常数分别代表了经典物理和量子物理的特征尺度。当它们同时出现在一个公式中时，就意味着存在着经典和量子之间的联系或冲 突。因此，科学家们推测，奇异金属态可能反映了一种新的量子效应或量子相变。

然而，在费米子体系中发现奇异金属态并不是故事的终点，而是一个新的起点。在物理学中，基本粒子可以分为两大类：费米子和玻色子。它们的区别在于它们的自旋，即它们围绕自己轴旋转的方式。

费米子的自旋是半整数，比如1/2、3/2等，而玻色子的自旋是整数，比如0、1、2等。这个看似微不足道的差别，却导致了它们的行为截然不同。

费米子遵循泡利不相容原理，即两个相同的费米子不能同时处于同一个量子态，因此它们之间存在排斥作用。

玻色子则没有这个限制，它们可以聚集在同一个量子态，形成一种叫做玻色-爱因斯坦凝聚的特殊状态，它们之间存在吸引作用。

电子是一种典型的费米子，而光子和声子等是一种典型的玻色子。

在金属中，导电的载体是电子，也就是费米子。但是，在某些特殊的金属中，电荷不是由单个电子携带，而是由两个电子结合成的库珀对7携带。

库珀对是一种由两个自旋相反的电子组成的偶极子，它们之间通过声子交换产生微弱的吸引力。

库珀对属于玻色子，因为它们的自旋是整数（两个半整数相加）。当温度足够低时，库珀对会形成玻色-爱因斯坦凝聚，并进入超导状态。这就是著名的BCS理论所解释的超导机制。

那么，在玻色子体系中是否也存在奇异金属态呢？

这是一个长期悬而未决的问题。直到最近，科学家们才找到了答 案。他们利用一种有微孔的铜酸盐材料，在其中诱导出库珀对，并将其冷却到超导临界温度以下。他们发现，在超导状态和常规金属状态之间，也出现了奇异金属态。这是科学界首次在玻色子体系中发现并证实了奇异金属态。

这一发现具有重要的理论和实践意义。从理论上讲，它为理解奇异金属态的物理本质提供了新的线索和视角。它表明，奇异金属态不仅仅是费米子体系中的一种特殊现象，而是一种普适的量子行为，可能与量子临界点或量子相变有关。从实践上讲，它为开发新型的低能耗超导量子计算和量子探测技术提供了新的可能性。利用玻色子奇异金属态，可以实现对量子信息和量子信号的高效传输和处理。

总之，奇异金属是一种具有非常规导电性质的新型物质状态，它可能揭示了量子世界的一些秘密。科学家们在费米子体系和玻色子体系中都发现了奇异金属态，并试图探索其背后的原理和应用。

帕特尔说，更好地理解奇异金属可以帮助物理学家为量子计算机等应用开发和微调新型超导体。他说："在有些情况下，有些东西想要超导，但又做不到，因为超导性被另一种竞争态阻挡了。那么我们可以问，这些非均匀性的存在是否会破坏超导性与之竞争的其他状态，并为超导性留出道路？"

现在，奇异金属已经不那么奇异了，这个名字似乎也不那么贴切了。帕特尔说："在这一点上，我更愿意称它们为不寻常金属，而不是奇异金属。"

文章来源： 科技日报,晴朗星空下的U,cnBeta