I metalli strani

I metalli strani hanno in comune proprietà notevoli con i buchi neri, aprendo così una nuova finestra per la fisica teorica. A sostenerlo Olivier Percollet, ricercatore senior del Center fof Computational Quantum Physics del Flatiron Institute, riguardo al mondo quantistico dei metalli che dissipano l’energia più velocemente come consentito dalle leggi della meccanica quantistica. 

La resistività elettrica dei metalli strani, a differenza di quella dei metalli che conosciamo, è proporzionale alla temperatura.

Arrivare a una comprensione teorica dei metalli strani è una delle maggiori sfide nella fisica della materia condensata. Una sfida aggravata dall’ideatore della fisica quantistica e premio Nobel Max Panck, la scienza non può risolvere il mistero ultimo della natura. “E questo perché in ultima analisi, noi stessi siamo una parte del mistero che stiamo cercando di risolvere”.

Un nuovo stato della materia

Ora, utilizzando tecniche computazionali all’avanguardia, i ricercatori del Flatiron Institute e della Cornell University riferiscono in un documento accettato negli Atti della National Academy of Sciences che i metalli strani sono un nuovo stato della materia.

Nel mondo della meccanica quantistica, la resistenza elettrica è un sottoprodotto degli elettroni che sbattono contro le cose. Quando gli elettroni fluiscono attraverso un metallo, rimbalzano su altri elettroni o impurità nel materiale. Più tempo c’è tra queste collisioni, minore è la resistenza elettrica.

Oltre la scala di Planck: le leggi della fisica vengono meno

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 smette di essere superconduttore, l’equazione diventa molto più semplice. In uno metallo strano, la conduttività elettrica è direttamente collegata alla temperatura ea due costanti fondamentali dell’universo: la costante di Planck ( h ) e la costante di Boltzmann ( k ).

La costante fisica fondamentale di Planck collega la quantità di energia che un fotone trasporta con la frequenza della sua onda elettromagnetica. La costante fisica di Boltzmann è il fattore di proporzionalità che mette in relazione l’energia cinetica delle particelle in un gas con la temperatura termodinamica del gas. 

La scala di Planck stabilisce il limite minimo dell’universo, oltre il quale le leggi della fisica si infrangono.

I metalli strani o “Metalli Planckiani”

“Alla fine degli anni 1890”, osserva Symmetry, “il fisico Max Planck propose una serie di unità per semplificare l’espressione delle leggi fisiche. Usando solo cinque costanti in natura (inclusa la velocità della luce e la costante gravitazionale), tu, io e persino gli alieni di Alpha Centauri potremmo arrivare a queste stesse unità di Planck“.

Di conseguenza, i metalli strani sono anche conosciuti come metalli planckiani.

I modelli di metalli strani esistono da decenni, ma risolverli accuratamente si è rivelato fuori dalla portata delle risorse esistenti. Gli entanglement quantistici tra gli elettroni significano che i fisici non possono trattare gli elettroni individualmente e l’enorme numero di particelle in un materiale rende i calcoli ancora più scoraggianti.

Due metodi diversi per risolvere il problema

Il fisico della Cornell, Peter Cha e i suoi colleghi hanno utilizzato due diversi metodi per risolvere il problema. In primo luogo, hanno utilizzato un metodo di incorporamento quantistico basato sulle idee sviluppate dal direttore del CCQ Antoine Georges nei primi anni ’90. Con questo metodo, invece di eseguire calcoli dettagliati sull’intero sistema quantistico, i fisici eseguono calcoli dettagliati solo su pochi atomi e trattano il resto del sistema in modo più semplice. 

Hanno quindi utilizzato un algoritmo Monte Carlo quantistico (chiamato per il casinò mediterraneo), che utilizza il campionamento casuale per calcolare la risposta a un problema. I ricercatori hanno risolto il modello dei metalli strani fino allo zero assoluto (meno 273,15 gradi Celsius), il limite inferiore irraggiungibile per le temperature nell’universo.

 Confina con due fasi della materia precedentemente note

Il modello teorico risultante rivela l’esistenza di strani metalli come un nuovo stato della materia al confine con due fasi della materia precedentemente note: vetri di spin isolanti di Mott e 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“, afferma il professore di fisica della Cornell Eun-Ah Kim. “Questo stato liquido di rotazione quantistica non è così bloccato, ma non è nemmeno completamente libero. È uno stato pigro, brodoso e fangoso. È metallico ma a malincuore metallico e sta spingendo il grado di caos al limite della meccanica quantistica“.

“Ringing Black Holes”

Il nuovo lavoro potrebbe aiutare i fisici a comprendere meglio la fisica dei superconduttori a temperature più elevate. Forse sorprendentemente, il lavoro ha 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 “squilla” dopo la fusione con un altro buco nero.