Elektronen in metalen proberen zich te gedragen als gehoorzame automobilisten, maar ze eindigen meer als botsauto's. Het kunnen roekeloze chauffeurs zijn, maar een nieuwe door Cornell geleide studie bevestigt dat deze chaos een limiet heeft die is vastgesteld door de wetten van de kwantummechanica.

De krant van het team, "T-lineaire weerstand van een isotrope Planckiaanse verstrooiingssnelheid, " geschreven in samenwerking met onderzoekers onder leiding van Louis Taillefer van de Universiteit van Sherbrooke in Canada, gepubliceerd 28 juli in Natuur . De hoofdauteur van het artikel is Gael Grissonnanche, een postdoctoraal fellow bij het Kavli Institute in Cornell voor Nanoscale Science.

Metalen dragen elektrische stroom wanneer elektronen allemaal samen bewegen. In de meeste metalen, zoals het koper en goud dat wordt gebruikt voor elektrische bedrading, de elektronen proberen elkaar te ontwijken en stromen samen. Echter, in het geval van bepaalde "vreemde" metalen, deze harmonie wordt verbroken en elektronen verdrijven energie door zo snel mogelijk van elkaar af te stuiteren. De wetten van de kwantummechanica spelen in wezen de rol van een elektronenverkeersagent, het dicteren van een bovengrens voor hoe vaak deze botsingen kunnen voorkomen. Wetenschappers hebben eerder deze limiet op de botsingssnelheid waargenomen, ook bekend als de "Planckiaanse limiet, " maar er is geen concrete theorie die verklaart waarom de limiet zou moeten bestaan, ook was niet bekend hoe elektronen deze limiet bereiken in vreemde metalen. Dus Ramshaw en zijn medewerkers gingen op pad om het zorgvuldig te meten.

"Empirisch, we weten dat elektronen alleen zo snel in elkaar kunnen stuiteren. Maar we hebben geen idee waarom, " zei Brad Ramshaw, de Dick &Dale Reis Johnson-assistent-professor aan het College van Kunsten en Wetenschappen, en senior auteur van het papier. "Voordat, de 'Planckiaanse limiet' werd gewoon afgeleid uit gegevens met behulp van zeer eenvoudige modellen. We hebben een zeer zorgvuldige meting en berekening gedaan en hebben aangetoond dat het tot in de kleinste details wordt nageleefd. En we ontdekten dat het isotroop is, dus het is hetzelfde voor elektronen die in elke richting reizen. En dat was een grote verrassing."

De onderzoekers richtten hun onderzoek op een op koperoxide gebaseerde hoge-temperatuur-supergeleider die bekend staat als een cuprate. Werken met medewerkers van het National High Magnetic Field Laboratory in Tallahassee, Florida, ze introduceerden een monster cuprate-metaal in een hybride magneet van 45 tesla - die het wereldrecord heeft voor het creëren van het hoogste continue magnetische veld - en registreerden de verandering in de elektrische weerstand van het monster terwijl de hoek van het magnetische veld werd verschoven. Het team van Ramshaw besteedde vervolgens het grootste deel van twee jaar aan het maken van software voor numerieke gegevensanalyse om de relevante informatie te extraheren.

Verrassend genoeg, ze waren in staat om hun gegevens te analyseren met dezelfde relatief eenvoudige vergelijkingen die worden gebruikt voor conventionele metalen, en ze ontdekten dat de elektronen van het cupraatmetaal gehoorzaamden aan de Planckiaanse limiet.

"Deze benadering die we gebruikten, zou te naïef zijn, " zei Grissonnanche. "Voor wetenschappers in het veld, het is niet a priori duidelijk dat dit zou moeten werken, maar het doet. Dus met deze nieuwe ontdekking, we hebben twee vliegen in één klap geslagen:we hebben de geldigheid van deze eenvoudige benadering van vreemde metalen uitgebreid en we hebben de Planckiaanse limiet nauwkeurig gemeten. We ontsluiten eindelijk het raadsel achter de intense bewegingen van elektronen in vreemde metalen."

"Het lijkt niet af te hangen van de details van het materiaal in het bijzonder, Taillefer zei. "Dus het moet iets zijn dat bijna een allesoverheersend principe is, ongevoelig voor details."

Ramshaw is van mening dat andere onderzoekers dit rekenraamwerk nu kunnen gebruiken om een ​​breed scala aan experimentele problemen en verschijnselen te analyseren. Ten slotte, als het werkt in vreemde metalen, het zou op veel andere gebieden moeten werken.

En misschien zijn die vreemde metalen toch iets ordelijker dan eerder werd gedacht.

"Je hebt deze enorm gecompliceerde microscopische ingrediënten en kwantummechanica en dan, de andere kant uit, je krijgt een heel eenvoudige wet, dat is de verstrooiingssnelheid hangt alleen af ​​van de temperatuur en niets anders, met een helling die gelijk is aan de fundamentele natuurconstanten die we kennen, " zei hij. "En die opkomst van iets eenvoudigs uit zulke gecompliceerde ingrediënten is echt mooi en meeslepend."

Dergelijke ontdekkingen kunnen ook een dieper begrip mogelijk maken van de verbindingen tussen kwantumsystemen en soortgelijke fenomenen in zwaartekracht, zoals de fysica van zwarte gaten - in feite het overbruggen van de duizelingwekkend kleine wereld van de kwantummechanica en hun "dubbele" theorieën in de algemene relativiteitstheorie, twee takken van de natuurkunde die wetenschappers al bijna een eeuw proberen te verzoenen.

Co-auteurs zijn onder meer promovendus Yawen Fang en onderzoekers van de Université de Sherbrooke in Canada, Universiteit van Texas in Austin, het National High Magnetic Field Laboratory en de University of Warwick in het Verenigd Koninkrijk.