Generare una comprensione teorica sui metalli strani è una delle maggiori sfide della fisica della materia condensata.
Il termine “metalli strani” fa riferimento a una classe di materiali noti come “superconduttori ad alta temperatura” o “superconduttori ad alta Tc“. Questi materiali sono chiamati “strani” perché sfidano le tradizionali teorie della superconduttività. La superconduttività è una proprietà fisica che si verifica quando un materiale conduce elettricità senza alcuna resistenza, il che significa che può trasportare corrente elettrica senza dispersione di energia sotto una certa temperatura critica, chiamata temperatura critica di transizione (Tc).
Prima della scoperta dei superconduttori ad alta temperatura, i superconduttori erano noti solo a temperature molto basse, vicino allo zero assoluto. Tuttavia, nei primi anni ’80, sono stati scoperti materiali che mostravano proprietà superconduttive a temperature molto più alte rispetto a quanto precedentemente pensato possibile. Questi materiali sono noti come “metalli strani” perché le teorie esistenti non erano in grado di spiegarli in modo adeguato.
I superconduttori ad alta temperatura hanno importanti applicazioni pratiche, come la trasmissione di energia elettrica più efficiente e dispositivi di imaging medico. La ricerca su questi materiali è ancora in corso per comprendere meglio i meccanismi alla base della loro superconduttività e sviluppare nuove applicazioni.
Ora, utilizzando tecniche di calcolo all’avanguardia, i ricercatori del Flatiron Institute di New York City e della Cornell University hanno risolto il primo modello teorico di strani metalli. Il lavoro rivela che i metalli strani sono un nuovo stato della materia. Lo studio è stato riportato negli Atti della National Academy of Sciences .
“Il fatto che li chiamiamo metalli strani dovrebbe dirti quanto li comprendiamo bene“, afferma il coautore dello studio Olivier Parcollet, ricercatore senior presso il Center for Computational Quantum Physics (CCQ) dell’Istituto Flatiron : “I metalli strani condividono proprietà straordinarie con i buchi neri, aprendo nuove entusiasmanti prospettive per la fisica teorica”.
Nel mondo della meccanica quantistica, la resistenza elettrica è un sottoprodotto di elettroni che si imbattono nelle cose. Quando gli elettroni fluiscono attraverso un metallo, rimbalzano su altri elettroni o impurità nel metallo. Più tempo c’è tra queste collisioni, minore 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 la superconduzione, l’equazione diventa molto più semplice.
Nei metalli strani, la conduttività elettrica è direttamente collegata 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 conosciuti come metalli Planckian.
Modelli di metalli strani esistono da decenni, ma la risoluzione accurata di tali modelli si è rivelata fuori portata con i metodi esistenti. Gli intrecci quantici tra elettroni significano che i fisici non possono trattare gli elettroni individualmente e il semplice numero di particelle in un materiale rende i calcoli ancora più scoraggianti.
I ricercatori hanno usato un metodo di incorporamento quantico basato su idee sviluppate da Georges nei primi anni ’90. Con questo metodo, invece di eseguire calcoli dettagliati su tutto il sistema quantistico, i fisici eseguono calcoli dettagliati su pochi atomi e trattano il resto del sistema in modo più semplice. Hanno quindi usato un algoritmo quantistico Monte Carlo (chiamato per il casinò mediterraneo), che utilizza il campionamento casuale per calcolare la risposta a un problema.
Gli studiosi 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.
“Abbiamo scoperto che esiste un’intera regione nello spazio delle fasi che sta esibendo un comportamento Planckiano che non appartiene a nessuna delle due fasi che stiamo attraversando. Questo stato liquido di spin quantico non è così bloccato, ma non è nemmeno completamente libero. È uno stato pigro, minaccioso, fangoso. È metallico ma riluttantemente metallico e sta spingendo il grado di caos al limite della meccanica quantistica”, ha affermat Kim.
Il nuovo lavoro potrebbe aiutare i fisici a comprendere meglio la fisica dei superconduttori a temperatura elevata. Forse sorprenderà ma il lavoro ha collegamenti con l’astrofisica. Come i metalli strani, i buchi neri mostrano proprietà che dipendono solo dalla temperatura e dalle costanti di Planck e Boltzmann, come la quantità di tempo che un buco nero “squilla” dopo essersi fuso con un altro buco nero: “Il fatto che trovi lo stesso ridimensionamento in tutti questi diversi sistemi, dai metalli Planckian ai buchi neri, è affascinante“, ha concluso Parcollet.
