奇異金屬，英語：strange metals，也稱為奇怪金屬，在凝聚態(tài)物理中指非費(fèi)米液體（non-Fermi liquid），用于描述與費(fèi)米液體（Fermi liquid）行為分離的系統(tǒng)。即使按照量子物理學(xué)家的標(biāo)準(zhǔn)，奇怪金屬也實(shí)在很奇怪。這些材料與高溫超導(dǎo)體有關(guān)，并且與黑洞的性質(zhì)有著令人驚訝的聯(lián)系。奇異金屬中的電子耗散能量的速度快于量子力學(xué)的定律，并且與普通金屬不同，奇異金屬的電阻率與溫度成正比。因此，了解奇異金屬的行為是凝聚態(tài)物理中的重要問題。產(chǎn)生對(duì)奇異金屬的理論理解，是凝聚態(tài)物理的最大挑戰(zhàn)之一。這一次，奇異金屬再登《Nature》主刊，而且一上就是兩篇。一起來一探究竟吧！奇異金屬，具有高度非常規(guī)的電特性，如線性溫度電阻率、隨溫度平方變化的逆霍爾角和線性場(chǎng)磁電阻。即使是在具有簡(jiǎn)單能帶結(jié)構(gòu)的空穴摻雜銅酸鹽材料中，確認(rèn)這些集體異常的來源，也是頗具挑戰(zhàn)性的。普遍的共識(shí)是，銅酸鹽中奇怪的金屬豐度與超導(dǎo)圓頂內(nèi)部摻雜p*處的量子臨界點(diǎn)有關(guān)。在此，來自荷蘭奈梅亨大學(xué)的M. Berben & 荷蘭奈梅亨大學(xué)和英國(guó)布里斯托爾大學(xué)的J. Ayres以及N. E. Hussey等學(xué)者，研究了兩個(gè)超導(dǎo)銅族在p*以外摻雜水平下的高場(chǎng)平面磁電阻。在所有摻雜情況下，磁電阻都呈現(xiàn)出正交比例，在高場(chǎng)溫比時(shí)變?yōu)榫€性，這表明奇異金屬的范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了p*。此外，磁電阻的大小比傳統(tǒng)理論預(yù)測(cè)的要大得多，并且不受雜質(zhì)散射和磁場(chǎng)取向的影響。這些觀察，加上對(duì)零場(chǎng)和霍爾電阻率的分析，表明盡管有一個(gè)單一的帶，銅酸鹽奇異金屬區(qū)域有兩個(gè)電荷區(qū)，一個(gè)包含相干準(zhǔn)粒子，另一個(gè)是尺度不變的“普朗克”色散體。相關(guān)論文以題為“Incoherent transport across the strange-metal regime of overdoped cuprates”于2021年07月28日發(fā)表在Nature上。
圖1. 過摻雜銅酸鹽的奇異金屬體系
圖2. 嚴(yán)重過摻雜銅酸鹽中面內(nèi)MR的正交標(biāo)度
圖3. 在嚴(yán)重過摻雜的銅酸鹽中非相干傳輸?shù)淖C據(jù)無獨(dú)有偶，這貌似已經(jīng)是《Nature》發(fā)文的慣用手法了。一起來看第2篇。當(dāng)溫度降至零時(shí)，各種奇異金屬的電阻率隨溫度線性下降，而傳統(tǒng)金屬的電阻率則隨溫度二次下降。這種線性溫度電阻率歸因于載流子散射速率?/τ= αkBT，其中α是一個(gè)常數(shù)，?是普朗克常數(shù)，kB是玻爾茲曼常數(shù)。這種散射率和溫度之間的簡(jiǎn)單關(guān)系，在各種各樣的材料中都可以觀察到，這表明了散射的一個(gè)基本上限——普朗克極限，但對(duì)這個(gè)極限的潛在起源知之甚少。在此，來自加拿大舍布魯克大學(xué)&加拿大高等研究院的Louis Taillefer 和加拿大高等研究院&美國(guó)康奈爾大學(xué)的Louis Taillefer等研究者，報(bào)道了La1.6-xNd0.4SrxCuO4空穴摻雜銅酸鹽的磁電阻隨角度變化的測(cè)量結(jié)果，該材料在最低測(cè)量溫度下的電阻率呈線性變化。依賴于角度的磁電阻，顯示了一個(gè)定義良好的費(fèi)米表面，定量分析與角度分辨的光電發(fā)射光譜測(cè)量結(jié)果一致，并揭示了在普朗克極限飽和的線性溫度散射率，即α = 1.2±0.4。值得注意的是，研究者發(fā)現(xiàn)這個(gè)普朗克散射率是各向同性的，也就是說，它與方向無關(guān)，這與熱點(diǎn)模型的預(yù)期相反。該研究結(jié)果表明，奇異金屬中的線性溫度電阻率來自動(dòng)量無關(guān)的非彈性散射率，達(dá)到普朗克極限。相關(guān)論文以題為“Linear-in temperature resistivity from an isotropic Planckian scattering rate”于2021年07月28日發(fā)表在Nature上。
圖1. 線性電阻率和角度依賴的磁電阻技術(shù)
圖2. Nd-LSCO在p = 0.24時(shí)的ADMR和準(zhǔn)粒子散射率
圖3. Nd-LSCO的輸運(yùn)系數(shù)p = 0.24
圖4. 兩種過摻雜銅酸鹽Nd-LSCO和Tl2201的比較綜上所述，顯然，還需要進(jìn)一步的理論工作來確定現(xiàn)在已知的奇異金屬狀態(tài)的所有特征，是否可以用一個(gè)單一的框架來解釋；其中還包括高溫超導(dǎo)態(tài)的出現(xiàn)。文獻(xiàn)信息Ayres, J., Berben, M., ?ulo, M.?et al.?Incoherent transport across the strange-metal regime of overdoped cuprates.?Nature?595,?661–666 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03622-zGrissonnanche, G., Fang, Y., Legros, A.?et al.?Linear-in temperature resistivity from an isotropic Planckian scattering rate.?Nature?595,?667–672 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03697-8
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