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Jan 12, 2024

科学者たちは「奇妙な金属」の特徴的な性質を説明するメカニズムを特定する

2023 年 8 月 17 日 この記事は、Science X の編集プロセスとポリシーに従ってレビューされました。 編集者は、コンテンツの信頼性を確保しながら、次の属性を強調しました。

2023 年 8 月 17 日

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サイモンズ財団による

40年近くにわたり、「奇妙な金属」と呼ばれる物質は、通常の電気規則の外側で動作するため説明を無視し、量子物理学者を当惑させてきた。

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）のアーヴィシュカール・パテルが主導する研究により、ついに奇妙な金属の特徴的な性質を説明するメカニズムが特定された。

サイエンス誌の 8 月 18 日号で、パテルと彼の同僚は、なぜ奇妙な金属がこれほど奇妙なのかについての普遍的な理論を発表します。これは、物性物理学における最大の未解決問題の 1 つに対する解決策です。

金属の奇妙な挙動は多くの量子材料で見られ、その中にはわずかな変化で超伝導体（十分に低い温度で電子がゼロ抵抗で流れる材料）になるものも含まれます。 この関係は、奇妙な金属を理解することが、研究者が新しい種類の超伝導を特定するのに役立つ可能性があることを示唆しています。

驚くほど単純な新しい理論は、奇妙な金属に関する多くの奇妙な点を説明する。たとえば、電気抵抗率（電子が電流として材料中をどれだけ容易に流れるかを示す尺度）の変化が、極度の低温に至るまで温度に直接比例する理由などである。 この関係は、同じ温度において、奇妙な金属は、金や銅などの通常の金属よりも電子の流れに抵抗することを意味します。

新しい理論は、奇妙な金属の 2 つの特性の組み合わせに基づいています。 まず、それらの電子は量子力学的に互いに絡み合って運命を結びつけることができ、遠く離れていても絡み合ったままになります。 第二に、奇妙な金属は原子が不均一でパッチワーク状に配置されています。

どちらの性質も単独では奇妙な金属の奇妙さを説明できないが、総合すると「すべてが適切に収まる」とCCQでフラットアイアン研究員として働くパテル氏は言う。

奇妙な金属の原子配置が不規則であるということは、電子のもつれが物質内のどこで起こったかに応じて変化することを意味します。 この多様性により、電子が材料中を移動して相互作用する際の運動量にランダム性が加わります。 電子はすべて一緒に流れるのではなく、あらゆる方向に互いに衝突し、電気抵抗が生じます。 材料が高温になると電子の衝突が頻繁になるため、温度とともに電気抵抗も増加します。

「この絡み合いと不均一性の相互作用は新しい効果であり、これまでどの素材でも考慮されたことはありませんでした」とパテル氏は言う。 「振り返ってみると、それは非常に単純なことです。長い間、人々はこの奇妙な金属の全体的な話を不必要に複雑にしてきましたが、それは正しいことではありませんでした。」

パテル氏は、奇妙な金属についての理解が深まれば、物理学者が量子コンピューターなどの用途向けに新しい超伝導体を開発し、微調整するのに役立つ可能性があると述べている。

「何かが超電導になりたいのに、超電導が別の競合状態によってブロックされているために、完全に超電導にならない場合があります」と彼は言う。 「では、これらの不均一性の存在が、超電導が競合する他の状態を破壊し、超電導への道を開くことができるのかと疑問に思う人もいるだろう。」

奇妙な金属の奇妙さが少し減った現在、この名前は以前ほど適切ではなくなっているように思えるかもしれません。 「現時点では、それらを奇妙な金属ではなく、珍しい金属と呼びたいと思います」とパテル氏は言う。