Nya mätningar har löst ett mysterium inom fasta tillståndets fysik:Hur kommer det sig att vissa metaller inte verkar följa de giltiga reglerna?

Metaller anses vanligtvis vara fasta, okrossbara material som leder elektricitet och uppvisar en typisk metallglans. Beteendet hos klassiska metaller, till exempel, deras elektriska ledningsförmåga, kan förklaras med välkända, väl beprövade fysikaliska teorier.

Men det finns också mer exotiska metallföreningar som utgör gåtor:Vissa legeringar är hårda och spröda, speciella metalloxider kan vara transparenta. Det finns till och med material precis vid gränsen mellan metall och isolator:små förändringar i kemisk sammansättning förvandlar metallen till en isolator – eller vice versa. I sådana material, metalliska tillstånd med extremt dålig elektrisk ledningsförmåga förekommer; dessa kallas "dåliga metaller". Tills nu, det verkade som om dessa "dåliga metaller" helt enkelt inte kunde förklaras med konventionella teorier. Nya mätningar visar nu att dessa metaller inte är så "dåliga" trots allt. Vid närmare granskning, deras beteende stämmer perfekt överens med vad vi redan visste om metaller.

Liten ändring, stor skillnad

Prof. Andrej Pustogow och hans forskargrupp vid Institutet för fasta tillståndets fysik vid TU Wien (Wien) forskar på speciella metalliska material – små kristaller som har odlats speciellt i laboratoriet. "Dessa kristaller kan anta egenskaperna hos en metall, men om du varierar sammansättningen lite, vi har plötsligt att göra med en isolator som inte längre leder elektricitet och som är genomskinlig som glas vid vissa frekvenser, säger Pustogow.

Precis vid denna övergång, man stöter på ett ovanligt fenomen:metallens elektriska motstånd blir extremt stort – större, faktiskt, än vad som alls borde vara möjligt enligt konventionella teorier. "Elektriskt motstånd har att göra med att elektronerna sprids mot varandra eller vid materialets atomer, " förklarar Andrej Pustogow. Enligt denna uppfattning, största möjliga elektriska resistans bör uppstå om elektronen sprids vid varje enskild atom på väg genom materialet – trots allt, det finns inget mellan en atom och dess granne som skulle kunna kasta elektronen från dess väg. Men denna regel verkar inte gälla för så kallade "dåliga metaller":De visar en mycket högre motståndskraft än den här modellen skulle tillåta.

Allt beror på frekvensen

Nyckeln till att lösa detta pussel är att materialegenskaperna är frekvensberoende. "Om du bara mäter det elektriska motståndet genom att applicera en DC-spänning, du får bara ett enda nummer - motståndet vid noll frekvens, " säger Andrej Pustogow. "Vi, å andra sidan, gjort optiska mätningar med ljusvågor med olika frekvenser."

Detta visade att de "dåliga metallerna" inte är så "dåliga" trots allt:vid låga frekvenser leder de knappt någon ström, men vid högre frekvenser beter de sig som man kan förvänta sig av metaller. Forskargruppen överväger små mängder föroreningar eller defekter i materialet, som inte längre kan skyddas tillräckligt av en metall vid gränsen till en isolator, som en möjlig orsak. Dessa defekter kan göra att vissa områden av kristallen inte längre leder elektricitet eftersom elektronerna där förblir lokaliserade på en viss plats istället för att röra sig genom materialet. Om en likspänning appliceras på materialet så att elektronerna kan röra sig från ena sidan av kristallen till den andra, då kommer praktiskt taget varje elektron så småningom att träffa ett sådant isolerande område och ström kan knappast flyta.

Vid hög AC-frekvens, å andra sidan, varje elektron rör sig fram och tillbaka kontinuerligt – den täcker inte en lång sträcka i kristallen eftersom den hela tiden ändrar riktning. Det betyder att i det här fallet kommer många elektroner inte ens i kontakt med ett av de isolerande områdena i kristallen.

Hoppas på viktiga ytterligare steg

"Våra resultat visar att optisk spektroskopi är ett mycket viktigt verktyg för att svara på grundläggande frågor inom fast tillståndets fysik, " säger Andrej Pustogow. "Många observationer för vilka man tidigare trodde att exotiska, nya modeller som måste utvecklas skulle mycket väl kunna förklaras av existerande teorier om de utökades tillräckligt. Vår mätmetod visar var tilläggen är nödvändiga." Redan i tidigare studier, Prof. Pustogow och hans internationella kollegor fick viktig insikt i gränsområdet mellan metall och isolator, med spektroskopiska metoder, på så sätt etablera en grund för teori, .

Det metalliska beteendet hos material som är föremål för starka korrelationer mellan elektronerna är också särskilt relevant för så kallad "okonventionell supraledning" - ett fenomen som upptäcktes för ett halvt sekel sedan men som fortfarande inte är helt förstått.