Elektroner i metaller försöker bete sig som lydiga bilister, men de slutar mer som stötfångarbilar. De kan vara hänsynslösa förare, men en ny Cornell-ledd studie bekräftar att detta kaos har en gräns fastställd av kvantmekanikens lagar.

Lagets tidning, "T-linjär resistivitet från en isotropisk planckisk spridningshastighet, " skriven i samarbete med forskare under ledning av Louis Taillefer från University of Sherbrooke i Kanada, publicerad 28 juli in Natur . Tidningens huvudförfattare är Gael Grissonnanche, en postdoktor vid Kavli-institutet vid Cornell for Nanoscale Science.

Metaller bär elektrisk ström när elektroner alla rör sig tillsammans i tandem. I de flesta metaller, som koppar och guld som används för elektriska ledningar, elektronerna försöker undvika varandra och flödar unisont. Dock, när det gäller vissa "märkliga" metaller, denna harmoni bryts och elektroner skingra energi genom att studsa av varandra i snabbast möjliga takt. Kvantmekanikens lagar spelar i huvudsak rollen som en elektrontrafikpolis, dikterar en övre gräns för hur ofta dessa kollisioner kan inträffa. Forskare har tidigare observerat denna gräns för kollisionshastigheten, även känd som "Planckian-gränsen, "men det finns ingen konkret teori som förklarar varför gränsen borde finnas, inte heller var det känt hur elektroner når denna gräns i konstiga metaller. Så Ramshaw och hans medarbetare gav sig i kast med att noggrant mäta det.

"empiriskt, vi har vetat att elektroner bara kan studsa in i varandra så snabbt. Men vi har ingen aning om varför, sa Brad Ramshaw, Dick &Dale Reis Johnson biträdande professor vid College of Arts and Sciences, och tidningens seniorförfattare. "Innan, "Planckian-gränsen" härleddes bara från data med mycket enkla modeller. Vi gjorde en mycket noggrann mätning och beräkning och visade att det verkligen följs ända in i de fina detaljerna. Och vi upptäckte att det är isotropt, så det är samma sak för elektroner som rör sig i vilken riktning som helst. Och det var en stor överraskning."

Forskarna fokuserade sin studie på en kopparoxidbaserad högtemperatursupraledare känd som en kuprat. Arbetar med medarbetare vid National High Magnetic Field Laboratory i Tallahassee, Florida, de introducerade ett prov av kupratmetall i en hybridmagnet på 45 tesla – som har världsrekordet för att skapa det högsta kontinuerliga magnetfältet – och registrerade förändringen i provets elektriska resistans samtidigt som magnetfältets vinkel förändrades. Ramshaws team tillbringade sedan större delen av två år med att skapa numerisk dataanalysprogramvara för att extrahera relevant information.

Förvånande, de kunde analysera sina data med samma relativt enkla ekvationer som används för konventionella metaller, och de fann att kupratmetallens elektroner följde Planck-gränsen.

"Det här tillvägagångssättet som vi använde var tänkt att vara för naivt, ", sa Grissonnanche. "För forskare inom området, det är inte självklart på förhand att detta ska fungera, men det gör det. Så med denna nya upptäckt, vi har slagit två flugor i en smäll:vi har utökat giltigheten av detta enkla tillvägagångssätt till konstiga metaller och vi har noggrant mätt Planck-gränsen. Vi låser äntligen upp gåtan bakom elektronernas intensiva rörelser i konstiga metaller."

"Det verkar inte bero på detaljerna i materialet i synnerhet, " Sa Taillefer. "Så det måste vara något som nästan är som en överordnad princip, okänslig för detaljer."

Ramshaw tror att andra forskare nu kan använda denna beräkningsram för att analysera en bred klass av experimentella problem och fenomen. Trots allt, om det fungerar i konstiga metaller, det borde fungera på många andra områden.

Och kanske är de där konstiga metallerna lite mer ordningsamma än man tidigare trott.

"Du har dessa otroligt komplicerade mikroskopiska ingredienser och kvantmekanik och sedan, ut på andra sidan, du får en mycket enkel lag, vilken är spridningshastigheten beror bara på temperaturen och inget annat, med en lutning som är lika med naturens grundläggande konstanter som vi känner, " sa han. "Och att uppkomsten av något enkelt från så komplicerade ingredienser är verkligen vackert och övertygande."

Sådana upptäckter kan också möjliggöra en djupare förståelse av sambanden mellan kvantsystem och liknande fenomen inom gravitation, som de svarta hålens fysik – i själva verket, överbrygga kvantmekanikens svindlande lilla värld och deras "dubbla" teorier i generell relativitetsteori, två grenar av fysiken som forskare har försökt förena i nästan ett sekel.

Medförfattare inkluderar doktoranden Yawen Fang och forskare från Université de Sherbrooke i Kanada, University of Texas i Austin, National High Magnetic Field Laboratory och University of Warwick i Storbritannien.