Gli scienziati identificano il meccanismo che spiega le proprietà caratteristiche dei "metalli strani".

17 agosto 2023

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da Simons Foundation

Per quasi 40 anni, i materiali chiamati 'metalli strani' hanno confuso i fisici quantistici, sfidando le spiegazioni agendo al di fuori delle regole normali dell'elettricità.

Una ricerca guidata da Aavishkar Patel del Center for Computational Quantum Physics (CCQ) dell'Istituto Flatiron di New York City ha identificato, finalmente, un meccanismo che spiega le proprietà caratteristiche dei metalli strani.

Nell'edizione del 18 agosto di Science, Patel e i suoi colleghi presentano la loro teoria universale su perché i metalli strani sono così strani: una soluzione per uno dei più grandi problemi irrisolti nella fisica della materia condensata.

Il comportamento dei metalli strani si trova in molti materiali quantistici, tra cui alcuni che, con piccoli cambiamenti, possono diventare superconduttori (materiali in cui gli elettroni fluiscono senza resistenza a temperature sufficientemente basse). Questa relazione suggerisce che comprendere i metalli strani potrebbe aiutare i ricercatori a identificare nuovi tipi di superconduttività.

La nuova teoria sorprendentemente semplice spiega molte stranezze dei metalli strani, come ad esempio il motivo per cui la variazione della resistività elettrica - una misura di quanto facilmente gli elettroni possono fluire attraverso il materiale come corrente elettrica - è direttamente proporzionale alla temperatura, persino a temperature estremamente basse. Questa relazione significa che un metallo strano resiste al flusso degli elettroni più di un metallo ordinario come l'oro o il rame alla stessa temperatura.

La nuova teoria si basa su una combinazione di due proprietà dei metalli strani. In primo luogo, i loro elettroni possono diventare quantum meccanicamente intrecciati gli uni agli altri, legando il loro destino, e rimangono intrecciati anche quando separati a distanza. In secondo luogo, i metalli strani hanno un'organizzazione non uniforme a forma di mosaico di atomi.

Nessuna delle proprietà da sola spiega le stranezze dei metalli strani, ma prese insieme, "tutto cade al suo posto", afferma Patel, che lavora come ricercatore presso il CCQ.

La regolarità della disposizione atomica di un metallo strano significa che gli intrecci degli elettroni variano a seconda di dove nel materiale si è verificato l'intreccio. Questa varietà aggiunge casualità al momento degli elettroni mentre si muovono attraverso il materiale e interagiscono tra loro. Invece di fluire tutti insieme, gli elettroni si sbattono l'uno contro l'altro in tutte le direzioni, risultando in una resistenza elettrica. Poiché gli elettroni collidono più frequentemente più il materiale si riscalda, la resistenza elettrica aumenta insieme alla temperatura.

"Questa interazione di intreccio e non uniformità è un nuovo effetto; non era mai stato considerato prima per nessun materiale", afferma Patel. "In retrospettiva, è una cosa estremamente semplice. Per molto tempo, le persone hanno reso questa storia dei metalli strani inutilmente complicata, e quella semplicemente non era la cosa giusta da fare".

Patel afferma che una migliore comprensione dei metalli strani potrebbe aiutare i fisici a sviluppare e perfezionare nuovi superconduttori per applicazioni come i computer quantistici.

"Ci sono casi in cui qualcosa vuole diventare superconduttore ma non ci riesce del tutto, perché la superconduttività viene bloccata da un altro stato competitivo", dice. "Si potrebbe quindi chiedere se la presenza di queste non uniformità può distruggere gli altri stati con cui la superconduttività compete e lasciare spazio alla superconduttività".

Ora che i metalli strani sono un po' meno strani, il nome potrebbe sembrare meno appropriato di quanto un tempo era. "A questo punto mi piacerebbe chiamarli metalli insoliti, non strani", afferma Patel.

Patel è coautore del nuovo studio con Haoyu Guo, Ilya Esterlis e Subir Sachdev dell'Università di Harvard.

Informazioni sulla rivista: Science

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