Vår teoretiska förståelse av hur metaller leder elektricitet är ofullständig. Den nuvarande taxonomin verkar vara för suddig och innehåller för många undantag för att vara övertygande. Detta är slutsatsen som materialforskare från universitetet i Groningen kom fram till efter att ha noggrant undersökt den senaste litteraturen om metaller. De analyserade mer än 30 metaller och visar att en enkel formel kan ge en klassificering av metaller på ett mer systematiskt sätt. Deras analys publicerades i Physical Review B den 29 augusti.

Metaller leder elektricitet, men inte alla på samma sätt. Forskare särskiljer flera klasser av metaller med namn som "korrelerad", "normal", "konstig" eller "ad". Metaller i dessa klasser skiljer sig till exempel i hur deras resistivitet reagerar på ökande temperaturer. "Vi var intresserade av metaller som kunde förändras från ledare till isolator och vice versa", förklarar Beatriz Noheda, professor i funktionella nanomaterial vid universitetet i Groningen. Hon är vetenskaplig chef vid CogniGrons forskningscenter, som utvecklar materialcentrerade systemparadigm för kognitiv datoranvändning. "För detta ändamål skulle vi vilja göra material som inte bara kan vara isolatorer eller ledare, utan som också kan förändras mellan dessa stater."

Något oväntat

När hon studerade litteraturen om metallresistivitet fann hon och hennes kollegor att gränsdragningen mellan olika klasser av metaller inte var entydig. "Så vi bestämde oss för att ta en titt på ett stort urval av metaller." Qikai Guo – tidigare postdoktor i Nohedas team och nu vid School of Microelectronics vid Shandong University, Kina – och deras kollegor från University of Zaragoza (Spanien) och CNRS (Frankrike) använde förändringen i resistivitet vid ökande temperaturer som ett verktyg för att jämför mer än 30 metaller, dels baserat på litteraturdata och dels utifrån deras egna mätningar.

"Teorin säger att resistivitetssvaret dikteras av spridningen av elektroner och att det finns olika spridningsmekanismer vid olika temperaturer", förklarar Noheda. Till exempel, vid mycket låga temperaturer, hittas en kvadratisk ökning, som sägs vara resultatet av elektron-elektronspridning. Ändå visar vissa material ("konstiga" metaller) ett strikt linjärt beteende som ännu inte är förstått. Elektron-fononspridning ansågs ske vid högre temperaturer och detta resulterar i en linjär ökning. Spridningen kan dock inte öka i det oändliga, vilket innebär att mättnad bör ske vid en viss temperatur. "Ändå visar vissa metaller ingen mättnad inom det mätbara temperaturintervallet och dessa kallades "dåliga" metaller", säger Noheda.

När de analyserade svaren från de olika typerna av metaller på ökande temperaturer, stötte Noheda och hennes kollegor på något oväntat:"Vi kunde passa alla datamängder med samma typ av formel." Detta visade sig vara en Taylor-expansion, där resistiviteten r beskrivs som r =r₀ + A₁ T + A₂ T ² + A₃ T ³ ..., där T är temperaturen, medan r₀ och de olika A-värdena är olika konstanter. "Vi fann att det räcker att använda en linjär och en kvadratisk term för att få en mycket bra passform för alla metaller", förklarar Noheda.

Öppnare

I uppsatsen visas att beteendet hos olika typer av metaller bestäms av den relativa betydelsen av A₁ och A₂ och med storleken r₀ . Noheda säger, "Vår formel är en rent matematisk beskrivning, utan några fysikantaganden, och beror på bara två parametrar." Detta innebär att de linjära och kvadratiska regimerna inte beskriver olika mekanismer, såsom elektron-fonon- och elektron-elektronspridning, de representerar bara det linjära (genom inkoherent spridning, där elektronvågens fas ändras av spridningen) och icke -linjära koherenta (där fasen är oförändrad) bidrag till spridningen.

På detta sätt kan en formel beskriva resistiviteten för alla metaller – vare sig de är normala, korrelerade, dåliga, konstiga eller på annat sätt. Fördelen är att alla metaller nu kan klassificeras på ett enkelt sätt som är mer transparent för icke-experter. Men denna beskrivning ger också en annan belöning:Den visar att den linjära förlusttermen vid låga temperaturer (kallad Planckisk försvinnande) dyker upp i alla metaller. Denna universalitet är något som andra redan antytt, men denna formel visar tydligt att så är fallet.

Noheda och hennes kollegor är inga metallspecialister. "Vi kom utifrån, vilket innebar att vi hade en ny titt på data. Det som gick fel, enligt vår mening, är att folk letade efter mening och kopplade mekanismer till de linjära och kvadratiska termerna. Kanske, några av slutsatserna utdraget på detta sätt behöver revideras. Det är välkänt att teorin på detta område är ofullständig." Noheda och hennes kollegor hoppas att teoretiska fysiker nu kommer att hitta ett sätt att omtolka några av de tidigare resultaten tack vare formeln som de hittade. "Men under tiden tillåter vår rent fenomenologiska beskrivning oss att jämföra metaller från olika klasser." + Utforska vidare

Exotiska elektron-elektroninteraktioner befunnits vara onödiga för ledning i nickelater