Metalli strani: i segreti degli strange metal svelati | Fisica

Ricordate dalle scuole medie forse i tra stati della materia ordinaria: solido, liquido e gassoso. Ebbene, se ci spostiamo nel mondo quantistico, a temperature spesso estreme, la materia può comportarsi in maniere molto strane. Ma anche per gli standard dei fisici quantistici, i metalli strani o strange metal sono semplicemente strani. Questi materiali sono strettamente correlati ai superconduttori ad alta temperatura e hanno connessioni sorprendenti con le proprietà dei buchi neri. Gli elettroni nei strani metalli dissipano l’energia più velocemente di quanto previsto dalle leggi della meccanica quantistica e la resistività elettrica di uno strange metal, a differenza di quella dei normali metalli, è proporzionale alla temperatura.

Comprende i metalli strani con un nuovo modello

Generare una comprensione teorica dei metalli strani è una delle maggiori sfide della 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 ideato il primo robusto modello teorico per i strani metalli. Il lavoro rivela che gli strange metal rappresentano un nuovo stato della materia, come riportano i ricercatori il 22 luglio negli Atti della National Academy of Sciences. Il coautore dello studio Olivier Parcollet, ricercatore senior presso il Center for Computational Quantum Physics (CCQ) dell’Istituto Flatiron afferma:

Il fatto che li chiamiamo metalli strani dovrebbe dirti quanto li comprendiamo bene. I metalli strani condividono proprietà straordinarie con i buchi neri, aprendo nuove entusiasmanti direzioni per la fisica teorica.

Oltre a Parcollet, il gruppo di ricerca era composto dal dottorando Cornell Peter Cha, dal data scientist CCQ Nils Wentzell, dal direttore del CCQ Antoine Georges e dal professore di fisica della Cornell Eun-Ah Kim. Nel mondo della meccanica quantistica, la resistenza elettrica è strettamente connessa con il moto degli elettroni all’interno di un materiale o più precisamente indica la difficoltà di un elettrone a muoversi all’interno di una materiale. Nei metalli gli elettroni non vincolati ai nuclei atomici e quindi sono molto mobili. L’unico impedimento che determina un aumento della resistenza sono gli urti tra elettroni nel conduttore e le impurità. Per i metalli standard, la resistenza elettrica aumenta con la temperatura, seguendo un’equazione complessa. La cosa ha perfettamente senso perché con l’aumentare dell’agitazione termica il numero di elettroni in grado di svincolarsi dal nucleo aumenta.

Per comprendere il modello della resistenza elettrica possiamo pensare ad una pallina che viaggia in un piano inclinato: il numero di ostacoli è proporzionale alla resistenza.

Gli strange metal, appena oltre la superconduzione

Ma in casi atipici, 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. In uno strange metal, 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, metalli strani sono anche noti come metalli planckiani. Modelli che descrivono i metalli strani esistono da decenni, ma la risoluzione accurata degli strange metal si è rivelata fuori portata con i metodi esistenti. Dov’è il problema quindi vi chiederete. L’entanglement quantistico tra i miliardi di miliardi di elettroni nel materiale porta come conseguenza che i fisici non possono trattare gli elettroni individualmente e il numero di particelle contenute anche in una piccola quantità di materiale rende praticamente impossibile svolgere i calcoli. In sostanze nei metalli tradizionali ogni elettrone può essere considerato indipendente dagli altri dal punto di vista quantistico, negli strange metal invece agiscono tutti all’unisono, come se fossero tutti correlati.

Il nuovo modello per i metalli strani

Cha e i suoi colleghi hanno utilizzato due metodi diversi per risolvere il problema. In primo luogo, hanno usato un metodo di quantum embedding 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 utilizzato un algoritmo quantistico Monte Carlo – i metodi di Monte Carlo prendono il nome dal celebre casinò perché basati sulla teoria della probabilità -, che utilizza il campionamento casuale per stimare la soluzione di un problema. I ricercatori hanno poi esteso il modello dei metalli strani fino allo zero assoluto (-273,15 gradi Celsius), il limite inferiore irraggiungibile per le temperature nell’universo. Il modello teorico che ne risulta rivela l’esistenza di strange metal che rappresentano un nuovo stato della materia il quale confina con due fasi della materia precedentemente conosciute: vetri di spin isolanti di Mott e liquidi di Fermi. Kim spiega:

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 gratuito. È uno stato lento, minaccioso, fangoso. È metallico, ma a malincuore metallico e sta spingendo il grado di caos al limite della meccanica quantistica.

Il nuovo lavoro potrebbe aiutare i fisici a comprendere meglio la fisica dei superconduttori a temperatura elevata. I superconduttori sono materiali che manifestano proprietà elettriche e magnetiche uniche nel loro genere, ad esempio una resistenza nulla. Di norma questi materiali vengono ottenuti raffreddando particolari composti fino a temperature prossime allo zero assoluto, rendono di fatto impossibili delle applicazioni pratiche. Tuttavia scoprire dei materiali che manifestano proprietà da superconduttori potrebbe rivoluzionare l’intero settore dell’elettronica ed energetico, soprattutto per via del bassissimo impatto energetico. Infatti il consumo di energia nei dispositivi elettrici ed elettronici è imputabile alla resistenza elettrica.

Levitazione magnetica, uno dei fenomeni più affascinanti attorno ai superconduttori

Ancor più sorprendentemente, il lavoro ha collegamenti con l’astrofisica o potrebbe averne in futuro. Come i metalli strani, i buchi neri mostrano proprietà che dipendono solo dalla temperatura e dalle costanti di Planck e Boltzmann, ad esempio la quantità di tempo durante il quale è possibile avvertire delle “vibrazioni” dopo la fusione di due buchi neri. Parcollet afferma:

Il fatto che si trovi lo stesso ridimensionamento in tutti questi diversi sistemi, dai metalli Planckian ai buchi neri, è affascinante.

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