Forskare vid Florida State University med huvudkontor National High Magnetic Field Laboratory har upptäckt ett beteende i material som kallas cuprates som tyder på att de bär ström på ett sätt som är helt annorlunda än konventionella metaller som koppar.

Forskningen, publiceras idag i tidskriften Vetenskap , ger en ny mening till materialets moniker, "konstiga metaller."

Cuprates är högtemperatursupraledare (HTS), vilket innebär att de kan bära ström utan någon förlust av energi vid något varmare temperaturer än konventionella, lågtemperatursupraledare (LTS). Även om forskare förstår fysiken i LTS, de har ännu inte knäckt nöten av HTS-material. Exakt hur elektronerna färdas genom dessa material är fortfarande det största mysteriet på området.

För sin forskning om ett specifikt kuprat, lantanstrontiumkopparoxid (LSCO), ett team ledd av MagLab-fysikern Arkady Shekhter fokuserade på dess normala, metalliskt tillstånd - det tillstånd från vilket supraledning så småningom uppstår när temperaturen sjunker tillräckligt lågt. Detta normala tillstånd av kuprat är känt som en "konstig" eller "dålig" metall, delvis för att elektronerna inte leder elektricitet särskilt bra.

Forskare har studerat konventionella metaller i mer än ett sekel och är i allmänhet överens om hur elektricitet går genom dem. De kallar enheterna som bär laddning genom dessa metaller "kvasipartiklar, " som i huvudsak är elektroner efter att ha faktoriserat sin miljö. Dessa kvasipartiklar verkar nästan oberoende av varandra när de bär elektrisk laddning genom en ledare.

Men förklarar kvasipartikelflödet också hur elektrisk ström rör sig i kupraterna? Vid National MagLabs Pulsed Field Facility i Los Alamos, New Mexico, Shekhter och hans team undersökte frågan. De sätter LSCO i ett mycket högt magnetfält, applicerade en ström på den, mätte sedan motståndet.

De resulterande uppgifterna visade att strömmen inte kan, faktiskt, resa via konventionella kvasipartiklar, som det gör i koppar eller dopat kisel. Det normala metalliska tillståndet hos kupraten, det dök upp, var allt annat än normalt.

"Det här är ett nytt sätt att metaller kan leda elektricitet som inte är ett gäng kvasipartiklar som flyger runt, vilket är det enda välförstådda och överenskomna språket hittills, " Sa Shekhter. "De flesta metaller fungerar så."

Om inte av kvasipartiklar, exakt hur bärs laddningen i den märkliga metallfasen av LSCO? Uppgifterna tyder på att det kan vara någon form av lagarbete av elektronerna.

Forskare har sedan en tid tillbaka känt till ett spännande beteende hos LSCO:I sitt normala ledande tillstånd, resistiviteten ändras linjärt med temperaturen. Med andra ord, när temperaturen stiger, LSCO:s motstånd mot elektrisk ström ökar proportionellt, vilket inte är fallet i konventionella metaller.

Shekhter och hans kollegor bestämde sig för att testa LSCO:s resistivitet, men använder magnetfält som parameter istället för temperatur. De lade materialet i en mycket kraftfull magnet och mätte resistivitet i fält upp till 80 tesla. (En sjukhus-MRI-magnet, i jämförelse, genererar ett fält på cirka 3 tesla). De upptäckte ett annat fall av linjär resistivitet:När styrkan på magnetfältet ökade, LSCO:s resistivitet ökade proportionellt.

Det faktum att den linjära-i-fältresistiviteten så elegant speglade den tidigare kända linjära-i-temperaturresistiviteten hos LSCO är mycket betydelsefull, sa Shekhter.

"Vanligtvis när man ser sådana saker, det betyder att det är en väldigt enkel princip bakom, " han sa.

Fyndet tyder på att elektronerna verkar samarbeta när de rör sig genom materialet. Fysiker har under en tid trott att HTS-material uppvisar ett sådant "korrelerat elektronbeteende" i den supraledande fasen, även om den exakta mekanismen ännu inte är klarlagd.

Dessa nya bevis tyder på att LSCO i sitt normala ledande tillstånd också kan bära ström med något annat än oberoende kvasipartiklar – även om det inte är supraledning, antingen. Vad det där "något" är, forskarna är ännu inte säkra. Att hitta svaret kan kräva ett helt nytt sätt att se på problemet.

"Här har vi en situation där inget befintligt språk kan hjälpa, "Shekhter sa. "Vi måste hitta ett nytt språk för att tänka på dessa material."

Den nya forskningen väcker många frågor och några lockande idéer, inklusive idéer om det fundamentalt annorlunda sättet på vilket resistivitet kan ställas in i cuprates. I konventionella metaller, förklarade Shekhter, resistiviteten kan ställas in på flera sätt – föreställ dig en uppsättning rattar, vilken som helst kan justera den egenskapen.

Men i cuprates, Shekhter sa, "Det finns bara en ratt för att justera resistiviteten. Och både temperatur och magnetfält, på deras eget sätt, komma åt den där ratten."

Udda, verkligen. Men från konstiga metaller, man kan förvänta sig inget mindre.