Ons theoretisch begrip van de manier waarop metalen elektriciteit geleiden is onvolledig. De huidige taxonomie blijkt te onscherp en bevat te veel uitzonderingen om overtuigend te zijn. Dat concluderen materiaalwetenschappers van de Rijksuniversiteit Groningen na grondige bestudering van de recente literatuur over metalen. Ze analyseerden meer dan 30 metalen en laten zien dat een eenvoudige formule een meer systematische classificatie van metalen kan geven. Hun analyse is gepubliceerd in Physical Review B op 29 augustus.

Metalen geleiden elektriciteit, maar niet allemaal op dezelfde manier. Wetenschappers onderscheiden verschillende klassen metalen met namen als 'gecorreleerd', 'normaal', 'vreemd' of 'advertentie'. Metalen in deze klassen verschillen bijvoorbeeld in de manier waarop hun soortelijke weerstand reageert op stijgende temperaturen. "We waren geïnteresseerd in metalen die konden veranderen van geleider naar isolator en vice versa", legt Beatriz Noheda, hoogleraar Functionele Nanomaterialen aan de Rijksuniversiteit Groningen, uit. Ze is de wetenschappelijk directeur van het CogniGron-onderzoekscentrum, dat op materialen gerichte systeemparadigma's voor cognitief computergebruik ontwikkelt. "Voor dit doel willen we materialen maken die niet alleen isolatoren of geleiders kunnen zijn, maar die ook tussen die toestanden kunnen veranderen."

Iets onverwachts

Bij het bestuderen van de literatuur over metaalweerstand, ontdekten zij en haar collega's dat de afbakening tussen verschillende klassen metalen niet duidelijk was. "Dus hebben we besloten om een ​​groot aantal metalen te bekijken." Qikai Guo - voormalig postdoctoraal onderzoeker in Noheda's team en nu aan de School of Microelectronics van de Shandong University, China - en hun collega's van de Universiteit van Zaragoza (Spanje) en CNRS (Frankrijk) gebruikten de verandering in weerstand bij stijgende temperaturen als een hulpmiddel om vergelijk meer dan 30 metalen, deels op basis van literatuurgegevens en deels op basis van eigen metingen.

"De theorie stelt dat de weerstandsrespons wordt bepaald door de verstrooiing van elektronen en dat er verschillende verstrooiingsmechanismen zijn bij verschillende temperaturen", legt Noheda uit. Bij zeer lage temperaturen wordt bijvoorbeeld een kwadratische toename gevonden, naar verluidt het gevolg van elektron-elektronverstrooiing. Toch vertonen sommige materialen ("vreemde" metalen) een strikt lineair gedrag dat nog niet wordt begrepen. Elektron-fononverstrooiing werd verondersteld plaats te vinden bij hogere temperaturen en dit resulteert in een lineaire toename. Verstrooiing kan echter niet oneindig toenemen, wat betekent dat bij een bepaalde temperatuur verzadiging moet optreden. "Toch vertonen sommige metalen geen verzadiging binnen het meetbare temperatuurbereik en deze werden 'slechte' metalen genoemd", zegt Noheda.

Bij het analyseren van de reacties van de verschillende soorten metalen op stijgende temperaturen, kwamen Noheda en haar collega's iets onverwachts tegen:"We zouden alle datasets met hetzelfde type formule kunnen passen." Dit bleek een Taylor-expansie te zijn, waarbij de soortelijke weerstand r wordt beschreven als r =r₀ + A₁ T + A₂ T ² + A₃ T ³ ..., waarin T de temperatuur is, terwijl r₀ en de verschillende A-waarden zijn verschillende constanten. "We ontdekten dat het gebruik van alleen een lineaire en een kwadratische term voldoende is om een ​​zeer goede pasvorm voor alle metalen te produceren", legt Noheda uit.

Transparanter

In het artikel wordt aangetoond dat het gedrag in verschillende soorten metalen wordt bepaald door het relatieve belang van A₁ en A₂ en met de grootte van r₀ . Noheda zegt:"Onze formule is een puur wiskundige beschrijving, zonder enige fysica-aannames, en hangt af van slechts twee parameters." Dit betekent dat de lineaire en kwadratische regimes geen verschillende mechanismen beschrijven, zoals elektron-fonon en elektron-elektron verstrooiing, ze vertegenwoordigen alleen de lineaire (door onsamenhangende dissipatie, waarbij de fase van de elektronengolf wordt veranderd door de verstrooiing) en niet -lineaire coherente (waar de fase ongewijzigd is) bijdragen aan de verstrooiing.

Op deze manier kan één formule de soortelijke weerstand voor alle metalen beschrijven - of ze nu normaal, gecorreleerd, slecht, vreemd of anderszins zijn. Het voordeel is dat alle metalen nu op een eenvoudige manier kunnen worden geclassificeerd die transparanter is voor niet-experts. Maar deze beschrijving brengt ook een andere beloning met zich mee:het laat zien dat de lineaire dissipatieterm bij lage temperaturen (de zogenaamde Planck-dissipatie) in alle metalen voorkomt. Deze universaliteit is iets waar anderen al op hadden gezinspeeld, maar deze formule laat duidelijk zien dat dit inderdaad het geval is.

Noheda en haar collega's zijn geen metaalspecialisten. "We kwamen van buiten het veld, wat betekende dat we de data met een frisse blik hebben bekeken. Wat er volgens ons mis ging, is dat mensen naar betekenis zochten en mechanismen koppelden aan de lineaire en kwadratische termen. Misschien zijn enkele van de conclusies die op deze manier zijn geëxtraheerd, moeten worden herzien. Het is bekend dat de theorie op dit gebied onvolledig is." Noheda en haar collega's hopen dat theoretische natuurkundigen nu een manier zullen vinden om enkele van de eerdere resultaten opnieuw te interpreteren dankzij de formule die ze hebben gevonden. "Maar in de tussentijd kunnen we met onze puur fenomenologische beschrijving metalen uit verschillende klassen vergelijken." + Verder verkennen

Exotische elektron-elektron interacties onnodig gevonden voor geleiding in nikkelaten