Et nytt blikk på metaller avslører en “rar” likhet

Vår teoretiske forståelse av måten metaller leder elektrisitet på er ufullstendig. Den nåværende taksonomien ser ut til å være for uklar og inneholder for mange unntak til å være overbevisende. Dette er konklusjonen materialforskere fra Universitetet i Groningen kom til etter å ha grundig undersøkt den nyere litteraturen om metaller. De analyserte mer enn 30 metaller og viser at en enkel formel kan gi en klassifisering av metaller på en mer systematisk måte. Analysen deres ble publisert i Fysisk gjennomgang B den 29. august.

Metaller leder elektrisitet, men ikke alle på samme måte. Forskere skiller flere klasser av metaller med navn som “korrelert”, “normal”, “merkelig” eller “annonse”. Metaller i disse klassene skiller seg for eksempel i måten deres resistivitet reagerer på økende temperaturer. “Vi var interessert i metaller som kunne endres fra leder til isolator og vice versa,” forklarer Beatriz Noheda, professor i funksjonelle nanomaterialer ved Universitetet i Groningen. Hun er vitenskapelig leder ved CogniGron forskningssenter, som utvikler materialsentrerte systemparadigmer for kognitiv databehandling. “For dette formålet ønsker vi å lage materialer som ikke bare kan være isolatorer eller ledere, men som også kan endres mellom disse statene.”

Noe uventet

Når du studerer litteraturen om metall resistivitet, fant hun og hennes kolleger at avgrensningen mellom ulike metallklasser ikke var entydig. “Så vi bestemte oss for å se på et stort utvalg av metaller.” Qikai Guo – tidligere postdoktor i Nohedas team og nå ved School of Microelectronics ved Shandong University, Kina – og deres kolleger fra University of Zaragoza (Spania) og CNRS (Frankrike) brukte endringen i resistivitet ved økende temperaturer som et verktøy for å sammenligne mer enn 30 metaller, dels basert på litteraturdata og dels basert på egne målinger.

“Teorien sier at resistivitetsresponsen er diktert av spredning av elektroner og at det er forskjellige spredningsmekanismer ved forskjellige temperaturer,” forklarer Noheda. For eksempel, ved svært lave temperaturer finner man en kvadratisk økning, som sies å være et resultat av elektron-elektronspredning. Likevel viser noen materialer (“rare” metaller) en streng lineær oppførsel som ennå ikke er forstått. Elektron-fonon-spredning ble antatt å finne sted ved høyere temperaturer, og dette resulterer i en lineær økning. Spredning kan imidlertid ikke øke i det uendelige, noe som betyr at metning bør skje ved en viss temperatur. “Likevel viser noen metaller ingen metning innenfor det målbare temperaturområdet, og disse ble referert til som “dårlige” metaller, sier Noheda.

Da Noheda og kollegene hennes analyserte responsene til de forskjellige metalltypene på økende temperaturer, møtte Noheda og hennes kolleger noe uventet: “Vi kunne tilpasse alle datasettene med samme type formel.” Dette viste seg å være en Taylor-utvidelse, der resistiviteten r er beskrevet som r = r₀ + A₁T + A₂T² + A₃T³…, hvor T er temperaturmens r₀ og de forskjellige A-verdiene er forskjellige konstanter. “Vi fant ut at å bruke bare en lineær og en kvadratisk term er nok til å gi en veldig god passform for alle metallene,” forklarer Noheda.

Mer gjennomsiktig

I oppgaven er det vist at oppførselen i forskjellige typer metaller bestemmes av den relative betydningen av A₁ og A₂ og i størrelsesorden r₀. Noheda sier: “Formelen vår er en rent matematisk beskrivelse, uten noen fysikkforutsetninger, og avhenger av bare to parametere.” Dette betyr at de lineære og kvadratiske regimene ikke beskriver forskjellige mekanismer, slik som elektron-fonon og elektron-elektron spredning, de representerer bare det lineære (gjennom inkoherent spredning, hvor fasen til elektronbølgen endres av spredningen) og ikke -lineære koherente (der fasen er uendret) bidrag til spredningen.

På denne måten kan én formel beskrive resistiviteten for alle metaller – enten de er normale, korrelerte, dårlige, merkelige eller på annen måte. Fordelen er at alle metaller nå kan klassifiseres på en enkel måte som er mer transparent for ikke-eksperter. Men denne beskrivelsen gir også en annen belønning: Den viser at det lineære spredningsbegrepet ved lave temperaturer (kalt planckisk spredning) dukker opp i alle metaller. Denne universaliteten er noe som andre allerede har antydet, men denne formelen viser tydelig at dette faktisk er tilfelle.

Noheda og hennes kolleger er ingen metallspesialister. “Vi kom utenfra, noe som gjorde at vi hadde et nytt blikk på dataene. Det som gikk galt, etter vår mening, er at folk lette etter mening og koblet mekanismer til de lineære og kvadratiske termene. Kanskje noen av konklusjonene utdraget på denne måten må revideres. Det er velkjent at teorien på dette feltet er ufullstendig.” Det håper Noheda og hennes kolleger teoretiske fysikere vil nå finne en måte å tolke noen av de tidligere resultatene på, takket være formelen de fant. “Men i mellomtiden lar vår rent fenomenologiske beskrivelse oss sammenligne metaller fra forskjellige klasser.”

---

---