اكتشف الفيزيائيون سر المقاومة الخطية في المعادن الغريبة

تُظهر النحاسيات، وهي موصلات فائقة الحرارة تعتمد على النحاس، خصائص غير عادية خارج حالة التوصيل الفائق. أطلق العلماء على حالتهم الطبيعية اسم “المعدن الغريب”. في ذلك، تعتمد المقاومة الكهربائية للمادة خطيًا على درجة الحرارة على مدى درجة الحرارة بأكمله، على عكس المعادن العادية، حيث يكون هذا الاعتماد أكثر تعقيدًا. بالنسبة للكبريتات، تكون صيغة الاعتماد الخطي للمقاومة على درجة الحرارة صالحة: ρ = ρ₀ + A·T، حيث A هو معامل الانحدار الذي يصف مدى سرعة تغير المقاومة مع التغير في درجة الحرارة. تعكس المقاومة مقدار الإلكترونات المنتشرة في المادة أثناء تحركها: كلما زادت المقاومة، كلما اصطدمت ناقلات الشحنة بشيء ما في المادة. لكن التجارب التي أجريت على النحاسات أظهرت أن معامل الانحدار A يعتمد بقوة على مستوى المنشطات في المادة. إن الذرات المضافة إلى المادة، والتي تغير عدد الإلكترونات والثقوب، تؤثر بشكل ملحوظ على ما لا ينبغي أن تؤثر عليه. قاد هذا العلماء إلى الاعتقاد بأن حد تشتت بلانك، الذي يحدد الحد الأدنى لزمن التشتت المحتمل للإلكترونات، قد لا يكون معلمة عالمية.

وأظهر فريق من علماء الفيزياء أن المشكلة تكمن في طريقة تحليل البيانات. وعند استخدام النموذج التفصيلي الصحيح يزول التناقض. ونشرت الدراسة في مجلة نيتشر كوميونيكيشنز. لوصف تشتت حاملات الشحنة في النحاسات، تم استخدام نموذج درود المبسط عادة. فيه، تتصرف الإلكترونات كجسيمات لها نفس الكتلة الفعالة، والتي بداخلها، من أجل الراحة، يتم “تعبئة” جميع تفاعلات الإلكترون مع المادة. لكن النحاسات لها بنية إلكترونية معقدة، بسبب اختلاف سرعة حركة الإلكترونات والثقوب في اتجاهات مختلفة بشكل كبير. يمكنك مقارنة ذلك بمدى اختلاف الشعور بالطفو في النهر أو من ضفة إلى أخرى. في ظل هذه الظروف، لا يصف نموذج درود الواقع بدقة. لقد وجد العلماء أنه من أجل عكس البنية الإلكترونية لمعدن غريب بشكل صحيح، فإن معادلة بولتزمان الحركية، والتي تستخدم لوصف نقل الشحنة في المعادن الكلاسيكية، ضرورية. يأخذ في الاعتبار توزيع سرعات الإلكترون في المادة. في هذه الحالة، تعتمد المقاومة على مربع تردد البلازما الضوئي، وهو معامل يصف قدرة نظام من الإلكترونات على الاستجابة للمجال الكهرومغناطيسي.

وكان الباحثون يعرفون سابقًا أن مربع تردد البلازما لبعض الكوبرات يزداد خطيًا مع زيادة مستوى المنشطات، لكنهم لم يعطوا أهمية كبيرة لذلك. في الورقة الجديدة، يوضح المؤلفون أنه إذا تم استبدال علاقة خطية بين التنشيط وتردد البلازما في صيغة عامل الميل A، فإن المعامل في معادلة حد تشتت بلانك يصبح ثابتًا، ويتم استعادة عالمية حد بلانك. وأوضح الفيزيائيون أيضًا سبب اختلاف تردد البلازما خطيًا مع المنشطات. واستنادًا إلى البيانات التجريبية، فقد حسبوا أن العامل الذي يصف درجة التغير في البنية الإلكترونية للمادة يساوي تقريبًا نسبة الثقوب الموجودة في المادة. تمكن العلماء من حل التناقض بين البيانات التجريبية والنظرية. أظهر عملهم أن تشتت الإلكترون في النحاسات في الحالة المعدنية الغريبة لا يعتمد على المنشطات. إن اعتماد المقاومة على المنشطات هو نتيجة للتغيرات في البنية الإلكترونية للمادة، وليس لآلية التشتت. بالنسبة لنظرية الموصلية الفائقة، من المهم أن يتم تحديد خصائص حالة المعدن الغريب من خلال البنية الداخلية للمادة.