金属内部で「普通の電子」ではない何かが電気を運んでいたと判明!
金属内部で「普通の電子」ではない何かが電気を運んでいたと判明! / Credit:Canva . 川勝康弘
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金属内部で「普通の電子」ではない何かが電気を運んでいたと判明! (3/3)

2024.04.17 Wednesday

2023.11.30 Thursday

前ページ電気に関する「教科書レベルの常識」が書き換わりつつある

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金属を解剖して電気の流れを測定する

金属内部で「普通の電子」ではない何かが電気を運んでいたと判明!
金属内部で「普通の電子」ではない何かが電気を運んでいたと判明! / Credit:LIYANG CHEN et al . Shot noise in a strange metal . Science (2023)

金属の中を電気はどのように流れているのか?

この電気にかんする最も根源的な疑問に応えるべく研究者たちは金属を「解剖」するため、イッテルビウム・ロジウム・シリコンでできた幅が200ナノメートルという極めて細い導線を作成しました。

この組成の合金は、銅酸化物のようにランダウの理論に反する挙動をする奇妙な金属「ストレンジメタル」の一種として知られています。

また比較のために同じ太さの金でできた導線も作られました。

限界まで細くした導線を使うのは、金属を流れる電気の状態を、より正確に知るためでした。

また測定方法としては「ショットノイズ法」が使われました。

なにやら難しそうな単語ですが、原理は極めて単純です。

雨の日に傘をさしていると、傘にあたる音で雨粒の大きさを予測することができます。

大きな雨粒ならボタボタと音がしますし、霧雨のような雨粒ならばサラサラとした音がするでしょう。

同様に金属内部を通る電気が発生させるノイズを測定することで電子の状態を知ることが可能になります。

すると、金の導線に流れる電気からは、電子が準粒子の塊で動いていることを知らせるノイズが計測されました。

再び雨と傘で例えるならば大きな雨粒であることを示すボタボタ音と言えるでしょう。

一方で、合金(奇妙な物質)で観測されたノイズは霧雨が傘に当たったときのように静かでサラサラとしたノイズが記録されました。

この結果は、合金内部では電荷を運んでいたのは電子の塊「準粒子」ではなかったことを示します。

準粒子が電荷を運んでいないのが事実ならば「さしあたりこのように扱っても問題ないだろう」という導線の内部を電子が流れているモデルも影響を受けることになります。

ですが、電子のような塊「準粒子」が電荷を運んでいないとすれば、この合金(ストレンジメタル)の内部では、何が電流を作っているのでしょうか?

答えの1つは、準粒子の溶解です。

この解釈では、ランダウの理論に反する奇妙な物質の内部では、準粒子が溶けて「もつれた量子のスープ」になるとされています。

また別の専門家は電子をゴムのような高分子化合物のようなネットを作る習性があると述べています。

ゴムの木から採取されたばかりのゴムは1本の細長い分子ですが、タイヤに加工する過程で頑丈な網目状の構造に変化します。

これは個々の集合から新たな性質を持つ物質が生まれる例ですが、電子も同じように状況によって状態を変化させながら金属内部を通り抜けている可能性があります。

どちらの解釈も「電子」にはコレと決まった完全な正体はないという点では共通しています。

しかし現在のところ、なぜ合金(奇妙な物質)の内部で電荷が溶けているように見えるのかについては、一致した意見は形成されておらず、今後の研究に任せられている状態です。

電気にかんする見解は長い歴史のなかで何度も劇的な変化をみせてきましたが、もしかしたら今まさに新しい変化がおきつつあるのかもしれませんね。

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