Introduzione

Le misurazioni su un materiale superconduttore mostrano una brusca transizione tra un metallo normale e uno “strange metal“. La cosa davvero strana, tuttavia, è che questa brusca transizione scompare quando la temperatura scende. “Non abbiamo alcun meccanismo teorico per questo“, afferma il fisico teorico Jan Zaanen, coautore di un articolo di Science, “questo è qualcosa che solo un computer quantistico può calcolare“.

I superconduttori hanno fornito sorprese per oltre un secolo. Nel 1911, Heike Kamerlingh Onnes a Leida scoprì che il mercurio avrebbe condotto corrente elettrica senza alcuna resistenza a 4,2 Kelvin (4,5 gradi sopra lo zero assoluto o -273,15 gradi Celsius).

Il fenomeno fu spiegato solo nel 1957 e nel 1986 fu scoperto un nuovo tipo di superconduttività negli ossidi di rame complessi. Questa superconduttività ad alta temperatura sopravvive anche a temperaturedi 92° Kelvin (-181° C), ma se la si potesse portare anche a temperatura ambiente, significherebbe avere future applicazioni tecnologiche senza precedenti; ma finora il fenomeno non ha una spiegazione completa. Questo non per mancanza di sforzo da parte di fisici come Jan Zaanen, coautore con un gruppo di fisici sperimentali di Stanford che hanno pubblicato un articolo su Science a riguardo.

Strano metallo

Dal 1957, è noto che la superconduttività è causata da elettroni che formano coppie che possono navigare attraverso un cristallo senza ostacoli. Questo accade solo al di sotto di una temperatura critica, Tc. Tuttavia, al di sopra di questa temperatura presentano un comportamento anomalo. In questa fase di “strange metal“, gli elettroni non si comportano come particelle in gran parte indipendenti, come nei metalli normali, ma in modo collettivo. 

Sudi Chen e colleghi dell’Università di Stanford, hanno studiato la transizione, tra fase normale e fase strange, nell’ossido di rame superconduttore Bi (2212), usando la tecnica ARPES (Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy). Nell’ARPES, l’intensa luce UV è puntata sul campione, questa trasporta energia e può espellere elettroni. L’energia e la velocità di tali elettroni scartati svelano il comportamento degli elettroni all’interno del campione.

Acqua bollente

A parte la temperatura, il  parametro doping  è cruciale. Modificando l’esatta composizione chimica del materiale, è possibile variare il numero di portatori di carica che si muovono liberamente, il che influenza le proprietà.

A temperature relativamente calde, appena al di sopra della Tc più alta possibile, la transizione tra il metallo normale e quello strange avviene tra una percentuale di doping del 19% e il 20%. Durante questa transizione, Chen e colleghi mostrano la distribuzione di energia degli elettroni. Tali transizioni discontinue sono comuni in fisica. Un esempio è l’acqua bollente: al passaggio dall’acqua liquida al vapore, la densità fa un gigantesco salto discontinuo.

Ma la cosa strana è che in questo caso, la discontinuità scompare quando la temperatura viene abbassata nel regno superconduttore: la subitaneità si attenua e le proprietà cambiano improvvisamente e continuamente.

Dustbin

Quindi qual è la causa? Secondo un principio fisico generale, un comportamento discontinuo ad alte temperature dovrebbe tradursi in una transizione discontinua a basse temperature “, afferma Zaanen,” il fatto che ciò non accada è in contrasto con qualsiasi calcolo fino ad ora. Il completo meccanismo teorico sta fallendo“.

Ciò significa anche che la cosiddetta transizione quantistica critica (una tra le spiegazioni preferite), può essere gettata nella “dustbin” (letteralmente: pattumiera) perché prevede un comportamento continuo del segnale ARPES quando il doping varia.

Secondo Zaanen, tutto ciò indica chiaramente che la strana, sconosciuta, fase metallica è una conseguenza dell’entanglement quantistico. L’entanglement delle proprietà meccaniche quantistiche delle particelle è anche un ingrediente essenziale per i computer quantistici.

Computer quantistici

Quindi, pensa Zaanen, questo comportamento può essere calcolato in modo soddisfacente solo usando un computer quantistico. Ancor più che rompere i codici di sicurezza o calcolare le molecole, lo strange metal rappresenta il caso giusto per testare i computer quantistici e mostrare, così, i loro vantaggi rispetto ai computer normali.

La morale della storia, afferma Zaanen, è che l’origine della superconduttività stessa è sempre più una questione secondaria. “Dopo trent’anni, le prove stanno dimostrando che la superconduttività ad alta temperatura porta a una radicalmente nuova tipologia di materia, che è governata dagli effetti dell’entanglement quantistico nel mondo macroscopico“. 

Citazioni e Approfondimenti:  

2 Commenti

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