Fizikusok feltárták a furcsa fémek rejtélyét

Yashar Komijani a Cincinnati Egyetem elméleti fizikusa egy elméleti és kísérleti fizikusokból álló nemzetközi csapattal dolgozik együtt, hogy feltárják a furcsa fémek tulajdonságait.

Fizikusok egyre többet tudnak meg a furcsa fémek bizarr viselkedéséről, amik az elektromosság normál szabályain kívül működnek. - írja a phys.org.

Yashar Komijani elméleti fizikus, a Cincinnati Egyetem adjunktusa, hozzájárult egy nemzetközi kísérlethez, mely egy itterbium ötvözetből álló furcsa fémet, egy ritkaföldfémet vizsgált. Egy Hyogoban (Japán) lévő laborban fizikusok radioaktív gamma sugarakat lőttek a furcsa fémre, hogy szokatlan elektromos viselkedését megfigyeljék.

Hisao Kobayashi vezetésével a Hyogo Egyetem és a RIKEN (japán kutatóintézete) a tanulmányt a Science magazinban publikálták. A kísérlet szokatlan fluktuációkat tárt fel a furcsa fém elektromos töltésében.

A fémekben helyhez kötött pozitav töltésű ion és úgyanannyi mozgékony elektron van. Elektromos áram hatására az elektronok az elektromos térerősség irányával ellentétes irányban átlagos sebességgel vándorolnak, közben a helyhez kötött ionokkal ütköznek. Az elektromos mezőtől folyamatosan felvett energiájukat leadják a fémrácsnak. Beáll az egyensúlyi sebesség. A fémrácsnak ez a sebességnövekedést akadályozó hatása okozza a vezető ellenállását.

A furcsa fémek esetnén azonban más a helyzet, úgy viselkednek, mintha vákuumban lennének.

Komijani évek óta kutatja a furcsa fémek rejtélyeit a kvantummechanika kapcsán.

(A hőmérsékletük növekedésével a furcsa fémek ellenállása egy szigorúan lineáris módon növekszik. Normál fémekben az ellenállás csak egy bizonyos fokig nő, aztán állandóvá válik, összhangban a Fermi folyadékelmélettel. Az ellenállás akkor keletkezik, amikor az áramló elektronok a fém rezgő atomszerkezetébe ütköznek, és ettől szétszóródnak. A Fermi-folyadékelmélet megszab egy maximum sebességet, amelyen az elektron szóródás bekövetkezik. De a furcsa fémek nem követik a Fermi-folyadék szabályokat, és senki nem biztos benne, hogyan működnek. Amit a tudósok tudnak az, hogy a hőmérséklet-ellenállás kapcsolat a furcsa fémekben úgy tűnik, hogy két alapvető természeti állandóval áll összefüggésben: Boltzmann-állandóval, és a Planck-állandóval. A Boltzmann-állandó a random hőmozgás által létrehozott energiát mutatja, az anyagi minőségtől független, minden gázra azonos, értéke: 1,38•10^-23 J/K. A Planck-állandó egy foton energiájára vonatkozik, a részecske helyzetének bizonytalanságának, a sebességének a bizonytalanságának és tömegének szorzata) nem csökkenhet egy bizonyos érték alá. Ez nem függ attól, hogy milyen részecskéről van szó, vagy hogy milyen módon vizsgáljuk azt.)

Ha beleteszünk valamit egy fekete dobozba, meg tud mondani egy csomó dolgot arról mi van a dobozban anélkül, hogy megnézné csak azáltal, hogy megméri az olyan dolgokat, mint elektromos ellenállás, hőkapacitás, vezetőképesség. De amikor furcsa fémekről van szó, nem tudja, miért viselkednek úgy, ahogy. Rejtély, hogy mi történik ennek a furcsa rendszernek a belsejében. A furcsa fémek fizikusok széles köre számára jelentősek, tanulmányoznak mindent a részecske fizikától a kvantummechanikáig.

Yashar Komijani a Cincinnati Egyetem elméleti fizikusa egy elméleti és kísérleti fizikusokból álló nemzetközi csapattal dolgozik együtt, hogy feltárják a furcsa fémek tulajdonságait. Forrás: https://phys.org/news/2023-03-physicists-explore-mysteries-strange-metals.html

Ennek egyik oka, hogy különösen magas vezetőképességük, legalábbis különösen hideg hőmérsékleteken, ezért a kvantumszámítógépek potenciális szupravezetői.

A tanulmány társszerzője, Piers Coleman, a Rutgers Egyetem professzora azt mondja, hogy túl korai azon spekulálni, hogy milyen új technológiákat inspirálhatnak a furcsa fémek.

Azt mondják, hogy miután Michael Faraday felfedezte az elektromágnességet, a brit kancellár, William Gladstone megkérdezte, hogy mire lesz ez jó. Faraday azt válaszolta, hogy bár még nem tudja, biztos benne, hogy egy nap a kormány megadóztatja.

Coleman azt mondta, egy kicsit ugyanazt érzik a furcsa fémeket illetően. A fémek olyan központi szerepet játszanak manapság - a réz, az ősi szokásos fém, benne van minden eszközben, minden távvezetékben, körbevesz minket. A furcsa fémek ugyanolyan mindenütt jelenlévők lehetnek a technológiánkban.

Michael Faraday metszete, 1873. Azt mondják, hogy miután Michael Faraday felfedezte az elektromágnességet, a brit kancellár, William Gladstone megkérdezte, hogy mire lesz ez jó. Faraday azt válaszolta, hogy bár még nem tudja, biztos benne, hogy egy nap a kormány megadóztatja. Forrás: https://www.thoughtco.com/michael-faraday-inventor-4059933

A japán kísérlet úttörő volt részben amiatt, ahogy a kutatók egy a gamma részecskéket létrehozták egy részecskegyorsítót, a szinkrotront használva.

Komiani azt mondja, Japánban úgy használják a szinkrotront, mint a CERN-ben, ami gyorsít egy protont és egy falba ütköztetik és a proton egy gamma sugarat bocsát ki. Tehát van nekik egy igény szerinti gammasugár forrásuk anélkül, hogy radioaktív anyagot használnának. A kutatók spektroszkópiával tanulmányozták a gammasugarakat a furcsa fémen. A kutatók a fém elektromos töltés fluktuációk sebességét is vizsgálták, ami csak egy nanomásodpercig tart - egy másodperc egy billiomod részéig, ami hihetetlenül gyorsnak tűnhet, azonban a kvantumvilágban egy nanomásodperc egy örökkévalóság. Hosszú ideig azon tűnődtek, hogy ezek a fluktuációk miért olyan lassúak. Azzal az elmélettel álltak elő, hogy lehet, a rácsnak rezgései lehetnek és valóban ez volt a helyzet.

(Forrás: https://phys.org/)