فلزات عموما دارای خواصی مانند رسانایی الکتریکی بالا، هدایت حرارتی بالا و چگالی بالا هستند. می دانیم که فلزات رسانای خوبی هستند. این بدان معنی است که آنها جریان الکتریکی را به خوبی هدایت و انتقال می دهند. بنابراین برای ساخت و تولید وسایل الکتریکی و همچنین انتقال برق در فواصل طولانی بدون تلفات عمده انرژی بسیار ارزشمند هستند.
به گزارش اطلاعات آنلاین، در فلزات معمولی، الکترون های خاصی به نام الکترون های ظرفیتی آزادانه در درون ماده جریان دارند و زمانی که میدان الکتریکی آنها را به جلو می برد، بار الکتریکی منفی خود را حمل می کنند. این حرکت همان جریان الکتریکی است. الکترون یک ذره زیر اتمی است که در سال 1897 کشف شد. یعنی زمانی که فیزیکدانان شروع به تعیین و تعریف خواص آماری تعداد زیادی ذره کردند.
اکنون پس از چندین قرن، فیزیکدانان درک خوبی از فلزات و خواص الکترون ها دارند. ظاهر براق فلزات و خنکی که با لمس آنها احساس می کنیم دو خاصیت هر فلزی است که هر دو نتیجه حرکت و برهمکنش الکترون هاست.
به عنوان مثال، درخشندگی یک فلز به دلیل توانایی آن در هدایت الکتریسیته حتی در فرکانس های بسیار بالای نور مرئی است. احساس سرمایی که فلز به ما می دهد نیز به دلیل توانایی آن در انتقال گرما است که حتی بهتر از مواد عایق مانند شیشه یا چوب عمل می کند.
تا به امروز، دانشمندان مطالعات زیادی را در مورد فلزات و رفتار الکترون ها هنگام عبور از آنها انجام داده اند و نتایج مفیدی را به دست آورده اند که به طور قابل توجهی به توسعه فناوری ها کمک کرده است. اما دنیای مواد ناشناخته های بسیاری را در خود جای داده و خواص جدیدی هنوز در حال کشف شدن است. در مورد فلزات، دانشمندان اخیراً کشف دیگری کرده اند و آن این است که فلزاتی که به عنوان فلزات عجیب و غریب شناخته می شوند، رفتار الکترونیکی مرموز از خود نشان می دهند.
به نظر می رسد که در فلزات عجیب و غریب، الکترون ها هویت فردی و جداگانه خود را از دست می دهند و مانند یک سوپ رفتار می کنند که در آن همه ذرات با درهم تنیدگی کوانتومی به هم متصل شده اند.
حتی رفتار فیزیکی این الکترون‌های با تعامل قوی ممکن است تصویری آینه‌ای از رفتار برخی ذرات در افق سیاه‌چاله باشد. فیزیکدانان امیدوارند که با مطالعه این موارد، تمام فلزات و پدیده هایی را که در مواد جامد رخ می دهد، بهتر درک کنند.
رساناها، ابررساناها و عایق ها هر کدام با فازهای مختلف ماده مطابقت دارند. در هر یک از آنها گروه الکترونی شکل متفاوتی به خود می گیرد. در دو دهه گذشته، فیزیکدانان حتی فازهای الکترونیکی بیشتری را در جامدات کشف کرده اند. یک مثال بسیار جالب این فلزات عجیب هستند که ویژگی خاص آنها این است که مقاومت الکتریکی آنها بسته به دما نسبت به فلزات معمولی تغییر می کند.
اولین تلاش ها برای اعمال قوانین فیزیک برای رفتار مواد جامد بر این اصل بود که الکترون های یک فلز مانند مولکول های گاز رفتار می کنند. اما در پایان دهه 1920 اولین انقلاب کوانتومی رخ داد و ثابت شد که الکترون ها مانند همه ذرات کوانتومی دارای خواص موجی هستند.
حدود هفتاد سال پیش، فیزیکدان روسی، لو لاندو و همکارانش، در طول مطالعات خود، نظریه مایع فرمی را برای درک بهتر تعامل بین الکترون ها در فلزات ارائه کردند. مایع فرمی حالت کوانتومی ماده است که در اکثر فلزات کریستالی در دماهای پایین مشاهده شده است.
مایع فرمی دارای “فرمیون” است. ذره ای که نام آن از انریکو فرمی، فیزیکدان ایتالیایی-آمریکایی گرفته شده است. فرمیون ها ذراتی هستند که شامل تمام کوارک ها، لپتون ها و ذرات مرکب مانند باریون ها، اتم ها و هسته های اتمی می شوند. به طور کلی، هر ذره ای که از اصل طرد پائولی پیروی کند، فرمیون است.
بنابراین، فرمیون می تواند یک ذره بنیادی مانند یک الکترون یا یک ذره مرکب مانند یک پروتون باشد. طبق اصل طرد پائولی، فرمیون می تواند در یک زمان خاص حالت کوانتومی خاصی داشته باشد. به عبارت دیگر، اصل پائولی بیان می کند که هیچ دو الکترونی یا به طور کلی، هیچ دو فرمیون مشابه نمی توانند حالت کوانتومی یکسانی داشته باشند.
مایع فرمی دارای خواص ترمودینامیک، مغناطیس و هدایت الکتریکی است. الکترون‌هایی که در مایع فرمی برهمکنش می‌کنند، یک شبه ذره تولید می‌کنند. حالت برانگیخته ای که تمام خصوصیات یک ذره مانند بار، اسپین، تکانه و انرژی را دارد، با این تفاوت که تنها زمانی وجود دارد که در یک سیستم بزرگتر ادغام شود. در واقع شبه ذرات حاصل برخورد الکترون ها هستند.
برای درک بهتر شبه ذره، شخصی را تصور کنید که سعی می کند از یک اتاق شلوغ عبور کند. طبیعی است که سرعت حرکت او با سرعتی که در فضای خالی حرکت می کند قابل مقایسه نیست; زیرا حرکت آن تحت تاثیر حضور افراد دیگر در اتاق و برخورد با آنهاست، افرادی که به نوبه خود باید حرکت کنند تا این فرد بتواند عبور کند.
فیزیکدانان با مشاهده اعمالی که الکترون ها با هم به عنوان شبه ذرات انجام می دهند، پیش بینی های قابل آزمایشی انجام داده اند که بارها در آزمایشات روی فلزاتی مانند طلا، نقره، مس و آلومینیوم تایید شده است. به عنوان مثال، مقاومت الکتریکی یک مایع فرمی در دمای پایین باید با مجذور دما متفاوت باشد و آزمایش‌ها نشان می‌دهند که این مورد است.
در سال‌های اخیر، فیزیکدانان بیش از ده‌ها ماده را کشف کرده‌اند که آشکارا فلز هستند. یعنی مقاومت الکتریکی آنها با دما کاهش می یابد اما مایع فرمی نیستند. این مواد همان فلزات عجیب هستند. در این فلزات عجیب، مقاومت به طور خطی با دما تغییر می کند، نه متناسب با مجذور دما.
موادی که این ویژگی را نشان می دهند عبارتند از اکسید مس، ابررساناهای مس و اکسید آهن. برخی از مواد از فرمیون های سنگین و دو لایه گرافن ساخته شده اند. بیشتر آنها تحت آزمایش های آزمایشگاهی با مواد و فلزاتی قرار می گیرند که به دو فاز ماده نزدیک هستند، برای مثال بین یک ابررسانا و یک فلز یا بین حالت های مغناطیسی مختلف.
این فلزات عجیب در نگاه اول چندان قابل توجه به نظر نمی رسند. اگرچه آنها سخت و شکننده هستند تا نرم و چکش خوار، اما عجیب بودن آنها در دمای اتاق مشخص نیست زیرا انرژی حرارتی اثرات کوانتومی را از بین می برد. به نظر می رسد بسیاری از فلزات از نظر دما، فشار و سایر پارامترها فلزات کاملاً معمولی هستند تا زمانی که به نقطه کوانتومی بحرانی نزدیک شوند.
در این نقطه بحرانی، با نزدیک شدن به صفر مطلق، از یک فاز عادی عبور کرده و وارد فاز دیگری می شوند. به عنوان مثال، دو فاز فلزی رایج با خواص مغناطیسی متفاوت. اما وقتی در معرض دماهای بالاتر و انرژی های بالاتر قرار می گیرند، به فلزات عجیبی تبدیل می شوند.
وابستگی فلزات خارجی به تغییرات دما در درجات پایین ممکن است ناچیز و بی اهمیت به نظر برسد، اما برعکس، این تغییر مهم است و به معنای شکست نظریه مایع فرمی و به گفته برخی از دانشمندان، فروپاشی تصویر شبه ذرات است. از الکترون های برانگیخته
بدون شبه ذرات، گویی الکترون‌ها فردیت خود را از دست می‌دهند و به‌شدت به شکل یک کمپلکس برهمکنش می‌کنند، مانند اجزای یک سوپ که در آن همه ذرات به شدت با یکدیگر درگیر شده‌اند. درهم تنیدگی نوعی اتصال کوانتومی است. ارتباطی که باعث می شود سرنوشت ذرات در هم تنیده شود. وقتی الکترون های فلزات به شدت در هم تنیده می شوند، رفتار جمعی آنها تغییر می کند.
مقیاس زمانی که الکترون‌ها در بسیاری از فلزات عجیب و غریب تکانه را توزیع می‌کنند، مقیاس پلانکی است. این بدان معنی است که مکانیک کوانتومی و دما آن را تعیین می کنند و این دو این مقیاس زمانی را از طریق ثابت پلانک تعیین می کنند. ثابت پلانک یک ثابت طبیعی در فیزیک است که انرژی فوتون را به فرکانس آن مرتبط می کند. این ثابت توسط فیزیکدان آلمانی کشف شد و برای مطالعاتش در زمینه نظریه کوانتومی جایزه نوبل را دریافت کرد.
این ویژگی، که در تمام فلزات عجیب و غریب مشاهده می شود، و همچنین این واقعیت که فلزات عجیب و غریب در بسیاری از مواد رخ می دهد، نشان می دهد که یک اصل سازماندهی عمیق تری در فلزات عجیب و غریب وجود دارد. برخی از مدل‌های نظری پیشنهاد شده برای توصیف پدیده‌های فلزات عجیب و غریب حتی رفتار الکترون‌ها را با فیزیک افق رویداد در اطراف سیاه‌چاله‌ها مرتبط می‌کنند.
با الهام از این دیدگاه، تجربه‌گرایان از خود می‌پرسند که چگونه می‌توانند تعیین کنند که آیا الکترون‌ها مانند اجزای یک سوپ کوانتومی به طور مشترک عمل می‌کنند یا تقریباً مستقل مانند شبه ذرات الکترونیکی رفتار می‌کنند. و با توجه به اینکه همه الکترون ها برای آنها قابل مشاهده نیستند، چگونه می توانند به طور تجربی مدل های مختلف را با ابزارهای محدود تشخیص دهند؟
چهار رویکرد تجربی برای پاسخ به این سؤالات وجود دارد. اولین رویکرد شامل استفاده از یک پرتو الکترونی برای ارائه مقادیر دقیق انرژی و تکانه به الکترون های فلزی است. این فرآیند طیف سنجی از دست دادن انرژی الکترون نامیده می شود. با تعیین نحوه جذب و حرکت انرژی توسط کل سیستم الکترونی، فیزیکدانان می توانند بین نقش شبه ذرات معمولی و سوپ کوانتومی جمعی تمایز قائل شوند.
رویکرد یا تکنیک دوم مبتنی بر روش های بسیار دقیقی است که اخیراً برای مطالعه جریان الکتریسیته در داخل مواد ایجاد شده است. در این رویکرد، فیزیکدانان از حسگرهای میدان مغناطیسی بسیار حساس استفاده می کنند.
یکی یکی از این حسگرها یک حلقه ابررسانای کوچک است که ولتاژی را تولید می کند که دقیقاً به قدرت میدان مغناطیسی جریان یافته از حلقه بستگی دارد. سنسور دیگر از یک کریستال الماس معیوب تشکیل شده است. این کمبود به ویژه ناشی از نبود این یک اتم کربن است که فضای خالی اتم را با یک اتم نیتروژن اشغال می کند.
این عیب “نیتروژن مرکزی خالی” (NV) نامیده می شود. یکی این یکی از انواع بی شماری از عیوب الماس است. مفیدترین ویژگی نقص NV مرکزی، درخشندگی آن است. خواص نوری میدان مغناطیسی محلی را به یک حسگر بسیار خوب تبدیل می کند.
با نقشه برداری از میدان های مغناطیسی نزدیک یک فلز عجیب، محققان می توانند جزئیات جریان الکتریکی را بیاموزند. این جزئیات شامل نشانه هایی از همکاری الکترون ها با یکدیگر و دریایی از الکترون ها است که مانند مایعی با ویسکوزیته بسیار کم رفتار می کند.
رویکرد سوم شامل استفاده از اپتیک برای مطالعه انتقال و بازتاب نور در طول موج‌های بین 100 نانومتر و 1 میلی‌متر است. دانشمندان از این رویکرد برای درک اینکه چگونه فرآیند هدایت الکتریکی، از جمله انتشار، به فرکانس میدان الکتریکی بستگی دارد، استفاده می‌کنند.
در نهایت، در رویکرد چهارم، نوسانات جریان در گردش در یک فلز خارجی اندازه گیری می شود. با اندازه گیری نوسانات جریان، محققان متوجه می شوند که در یک زمان معین چه مقدار بار منتقل می شود.
فلزات عجیبی که خیانت به شکست هستند یکی آنها یکی از موفق‌ترین مدل‌های فیزیکی برای توصیف جامدات هستند، اما فیزیکدانان این شکست را دعوتی برای کاوش می‌دانند. این فلزات نه تنها از روی کنجکاوی مورد مطالعه قرار می گیرند، بلکه نقش مهمی در فناوری های بسیار مورد نیاز دارند.
دانشمندان ظهور خواص ابررسانایی را در دماهای نسبتاً بالا در چندین خانواده از فلزات عجیب و غریب مشاهده کرده اند. بنابراین، درک عمیق این فلزات به ساخت ابررساناهایی کمک می کند که در دمای اتاق یا نزدیک به آن عمل کنند. ساخت چنین ابررساناهایی انقلابی در شبکه های برق، کامپیوترهای کوانتومی و دستگاه های پزشکی ایجاد خواهد کرد.