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Metalli poco conosciuti, metalli “strani”

Anche per gli standard dei fisici quantistici, i metalli strani sono semplicemente strani. I materiali sono legati ai superconduttori ad alta temperatura e hanno relazioni sorprendenti con le proprietà dei buchi neri. Gli elettroni nei metalli strani dissipano energia tanto velocemente quanto è permesso loro dalle leggi della meccanica quantistica e la resistività elettrica di un metallo strano, a differenza di quella dei metalli ordinari, è proporzionale alla temperatura.

Elaborare una comprensione teorica dei metalli strani è una delle maggiori sfide nella fisica della materia condensata. Ora, utilizzando tecniche di calcolo all’avanguardia, i ricercatori del Flatiron Institute di New York City e della Cornell University hanno risolto il primo solido modello teorico di metalli strani. Il lavoro rivela che i metalli strani sono un nuovo stato della materia, i ricercatori lo hanno riportato il 22 luglio nel Proceedings of the National Academy of Sciences.

Il fatto che li chiamiamo metalli strani dovrebbe dirvi quanto li capiamo bene“, dice il coautore dello studio Olivier Parcollet, ricercatore senior presso il Centro di Fisica Quantistica Computazionale del Flatiron Institute’s Center for Computational Quantum Physics (CCQ). “I metalli strani condividono proprietà notevoli con i buchi neri, aprendo nuove entusiasmanti direzioni per la fisica teorica“.

Oltre a Parcollet, il team di ricerca era composto dal dottorando della Cornell Peter Cha, dallo scienziato associato della CCQ Nils Wentzell, dal direttore della CCQ Antoine Georges e dal professore di fisica della Cornell Eun-Ah Kim.

Equazioni complesse e semplici: risolvere i modelli dei metalli strani

Nel mondo della meccanica quantistica, la resistenza elettrica è un sottoprodotto dell’urto degli elettroni contro oggetti. Quando gli elettroni fluiscono attraverso un metallo, rimbalzano contro altri elettroni o le impurità del metallo. Più tempo c’è tra queste collisioni, più bassa è la resistenza elettrica del materiale.

Per i metalli tipici, la resistenza elettrica aumenta con la temperatura, seguendo un’equazione complessa. Ma in casi insoliti, come quando un superconduttore ad alta temperatura viene riscaldato appena sopra il punto in cui si ferma superconduzione, l’equazione diventa molto più semplice. In uno strano metallo, la conducibilità elettrica è legata direttamente alla temperatura e a due costanti fondamentali dell’universo: la costante di Planck e la costante di Boltzmann. Di conseguenza, i metalli strani sono anche noti come metalli di Planck.

Modelli di metalli strani esistono da decenni, ma risolvere accuratamente tali modelli si è rivelato fuori dalla portata dei metodi esistenti. L’intreccio quantistico tra gli elettroni significa che i fisici non possono trattare gli elettroni individualmente e il numero di particelle in un materiale rende i calcoli ancora più scoraggianti.

Metodi di risoluzione

Cha e i suoi colleghi hanno impiegato due diversi metodi per risolvere il problema. In primo luogo, hanno usato un metodo di incorporazione quantistica basato sulle idee sviluppate da Georges all’inizio degli anni ’90. Con questo metodo, invece di eseguire calcoli dettagliati su tutto il sistema quantico, i fisici eseguono calcoli dettagliati solo su pochi atomi e trattano il resto del sistema in modo più semplice.

Hanno poi utilizzato un algoritmo quantistico Monte Carlo (dal nome del casinò del Mediterraneo), che utilizza il campionamento casuale per calcolare la risposta ad un problema. I ricercatori hanno risolto il modello dei metalli strani fino allo zero assoluto (meno 273,15 gradi centigradi), il limite inferiore irraggiungibile per le temperature nell’universo.

Il modello teorico risultante rivela l’esistenza di metalli strani come un nuovo stato della materia che confina con due fasi della materia precedentemente conosciute: i vetri isolanti di Mott e i liquidi di Fermi. “Abbiamo scoperto che c’è un’intera regione nello spazio delle fasi che mostra un comportamento planckiano che non appartiene a nessuna delle due fasi tra le quali stiamo passando“, dice Kim. “Questo stato liquido di spin quantistico non è così bloccato, ma non è nemmeno completamente libero“. È uno stato pigro, minaccioso e fangoso. È metallico, ma riluttantemente metallico e sta generando caos al limite della meccanica quantistica”.

Finalità della ricerca

Il nuovo lavoro potrebbe aiutare i fisici a comprendere meglio la fisica dei superconduttori ad alta temperatura. Forse sorprendentemente, il lavoro ha dei collegamenti con l’astrofisica. Come gli strani metalli, i buchi neri mostrano proprietà che dipendono solo dalla temperatura e dalle costanti di Planck e Boltzmann, come la quantità di tempo in cui un buco nero “suona” dopo la fusione con un altro buco nero. “Il fatto che si trovi questa stessa scala in tutti questi sistemi diversi, dai metalli di Planck ai buchi neri, è affascinante“, dice Parcollet.

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