科学家们已经非常了解温度是如何影响大多数日常金属（如铜或银）的电导率的。但近年来，研究人员将注意力转向了一类似乎不遵循传统电气规则的材料。了解这些所谓的“奇异金属”可以提供对量子世界的基本见解，并有可能帮助科学家理解高温超导等奇异现象。

现在，由布朗大学物理学家共同领导的一个国际研究小组为这种奇异的金属混合物添加了一项新发现。在近期发表在《自然》杂志上的一篇论文中，该研究小组在一种材料中发现了奇异的金属行为，在这种材料中，电荷不是由电子携带的，而是由被称为库珀对的但更像“波”的实体携带。

虽然电子属于一类叫做费米子的粒子，但库珀对是玻色子，它遵循着与费米子截然不同的规则。这是首次在玻色子系统中观察到奇异的金属行为，研究人员希望这一发现可能有助于找到奇异金属是如何工作的解释，而这是科学家们几十年来一直未能解决的问题。

布朗大学物理学教授、该研究的通讯作者Jim Valles说：“我们有两种根本不同类的粒子，它们的行为汇聚在一个谜题的周围”，“这说明任何解释奇异金属行为的理论都不能针对任意一种粒子。它需要比这更基本的理论。”

奇异的金属

大约在30年前，科学家们在一类叫做铜酸盐的材料中首次发现了奇异的金属行为。这些氧化铜材料以高温超导体而闻名，这意味着它们在远高于普通超导体的温度上进行零电阻导电。但即使在高于超导临界温度的温度下，与其他金属相比，铜酸盐的行为也很奇异。

随着温度的升高，铜酸盐的电阻呈严格的线性方式增加。在普通金属中，电阻仅能增加到一定程度，并会在高温下变得恒定，这符合费米液体理论。当在金属中流动的电子撞击金属振动的原子结构时，就会产生电阻并导致电子发生散射。

费米液体理论设定了电子散射可能发生的最大速率。但是奇异金属不遵循费米液体规则，没有人知道它们是如何工作的。科学家们所知道的是，奇异金属的温度与电阻的关系似乎与自然界的两个基本常数有关：玻尔兹曼常数(表示随机热运动产生的能量)和普朗克常数(与光子的能量有关)。

Valles说:“为了试图了解这些奇异金属中发生的事情，人们已经应用了类似于用来理解黑洞的那些数学方法。所以在这些材料中发生了一些非常基础的物理现象。”

玻色子和费米子

近年来，Valles和他的同事一直在研究电荷载流子不是电子的电活动。1952年，诺贝尔奖获得者、现为布朗大学物理学名誉教授的Leon Cooper发现，在普通超导体(不是后来发现的高温超导体)中，电子会结合形成库珀对，它们可以在没有电阻的情况下滑过原子晶格。尽管它由两个电子(费米子)形成，但库珀对可以看成是玻色子。

Valles说：“费米子和玻色子系统的表现通常是非常不同的。与单个费米子不同，玻色子可以共享相同的量子态，这意味着它们可以像水分子一样在波浪中集体移动。”

2019年，Valles和他的同事表明，库珀对玻色子可以产生金属行为，这意味着它们可以在一定的电阻下导电。研究人员说，这本身就是一个令人惊讶的发现，因为量子理论的元素表明，这种现象不应该是可能的。在这项最新的研究中，研究小组想看看玻色子库珀对金属是否也是奇异金属。

该团队使用了一种名为钇钡氧化铜的铜酸盐材料，材料上面布满了微小的孔洞，它可以诱发铜对金属状态。该团队将材料冷却至略高于其超导温度，以观察其电导率的变化。他们发现，就像费米子奇异金属一样，这种库珀对金属的电导与温度呈线性关系。

研究人员表示，这一新发现将为理论学家提供一些新的东西，因为他们正试图理解奇异的金属行为。Valles说：“对于理论学家来说，解释我们在奇异金属中看到的东西是一个挑战。我们的工作表明，如果你要模拟奇异金属中的电荷传输，该模型必须同时适用于费米子和玻色子——即使这些类型的粒子遵循根本不同的规则。”

最终，奇异金属的理论可能会产生巨大的影响。奇异的金属行为可能是理解高温超导性的关键，而高温超导在无损电网和量子计算机等领域具有巨大潜力。而且由于奇异的金属行为似乎与宇宙的基本常数有关，了解它们的行为或许可以揭示物理世界是如何运作的这一基本事实。（编译:Qtech）