「奇妙な金属」とは、実に奇妙な性質を持つ量子物質の一種である：通常の金属に見られる電気抵抗の法則を無視するだけでなく、比較的高温で超伝導体になるものさえある。そして、通常の電気の法則から外れて機能するユニークな能力を持っているため、量子物理学者たちを長年困惑させてきた。
今回、ニューヨーク市にあるフラットアイアン研究所計算量子物理学センター（CCQ）のAavishkar Patel氏が率いる研究が、この奇妙な振る舞いの背後にある理由を発見したかもしれない。
Patel氏は、Live Science誌に次のように語っている。「従来の固体物理学の手法は、結晶格子が均質であることを前提としており、不均質性が電子同士の相互作用にどのような影響を与えるかを考慮していません。しかし、ランダム性が鍵なのです」。
多くの奇妙な点
「この驚くほど単純な新理論は、奇妙な金属に関する多くの奇妙な点を説明するものである。例えば、電気抵抗率（電子が電流として物質中をどれだけ流れやすいかを示す指標）の変化が、極低温に至るまで温度に正比例する理由である。この関係は、奇妙な金属が、同じ温度で金や銅のような普通の金属よりも電子の流れに抵抗することを意味する」と、Patel氏は説明する。
この新しい理論は、電子が量子力学的に互いに絡み合うことができるという事実と、原子が不均一でパッチワークのように配列しているという事実である。
この2つの事実が組み合わされると、「すべてがうまくいくのです」とPatel氏は説明する。奇妙な金属の原子配置が一様でないため、電子のもつれ具合にばらつきが生じ、物質中を移動して互いに相互作用する電子の運動量にランダム性が加わる。
電子は一緒に移動しない代わりに、あらゆる方向に互いにぶつかり合うことを選択し、その結果、電気抵抗が生じる。そしてこの挙動は、温度が上昇すればするほど増幅され、熱とともに電気抵抗も上昇する。
「このエンタングルメントと不均一性の相互作用は新しい効果です。振り返ってみると、極めて単純なことです。長い間、人々はこの奇妙な金属の話を不必要に複雑にしていました」と、Patel氏は説明する。
新たな応用
Patel氏は現在、この発見が量子コンピューターなどの応用に向けた新しい超伝導体の開発に役立つことを期待している。さらに、この発見は、研究者が新しい種類の超伝導材料を特定するのにも役立つだろう。
「何かが超伝導になりたくても、別の競合状態によって超伝導が阻害され、なかなか超伝導にならない場合があります。このような不均一性が存在することで、超伝導が競合する他の状態を破壊し、超伝導への道を開くことができるのだろうかと考えることができます」と、Patel氏。
奇妙な金属格子の原子はランダムに点在しているため、内部の電子は金属内の位置によって絡み方が異なる。そのため、電子は互いに頻繁にぶつかり合うが、その速度は異なる。
研究者たちによれば、この新しい理論は、温度と抵抗率の線形関係、電磁場の中に置いたときの伝導率の周波数依存性、比熱容量、内部の電子のもつれ具合を調べる「ショット・ノイズ」実験に対する反応など、奇妙な金属の多くの特徴を予測するものだという。
Patel氏は、もはや“奇妙な金属”は謎の存在ではなくなったので、奇妙な金属という名称を変えたいと考えている。「現時点では、奇妙な金属ではなく、珍しい金属と呼びたいと思います」。
論文
参考文献
- Simon Foundation: We Finally Know Why Quantum ‘Strange Metals’ Are So Strange
- via Live Science: ‘Strange metals’ used in superconductors can entangle whole seas of electrons at once, and scientists finally understand how
研究の要旨
相関量子物質中に遍在するストレンジメタルは、低温で電荷を輸送するが、通常の金属で電荷を輸送する個々の電子準粒子励起では電荷を輸送しない。この研究では、量子臨界スカラーに結合したフェルミオンの2次元金属を考える。われわれは、このような金属は、低温（T）において、フェルミオンスカラースカラーの湯川結合の空間的ランダム揺らぎ（非ゼロ空間平均）に起因するT線型抵抗率を持つ奇妙な金属的振る舞いを一般的に示すことを示す。また、T ln(1/T)の比熱と、輸送散乱時間に対するプランキ境界の理論的根拠を見いだした。これらの結果は観測結果と一致し、N個のフェルミオンフレーバーを持つ臨界金属のアンサンブルの大きなN展開で得られた。
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