Risolto il mistero dei "metalli strani", uno nuovo stato della materia

Risolto il mistero dei 'metalli strani', uno nuovo stato della materia
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Persino all'interno del mondo quantistico i metalli strani sono molto strani, per l'appunto. Questo stato della materia è legato ai superconduttori ad alta temperatura e presenta delle connessioni sorprendenti con le proprietà dei buchi neri.

Gli elettroni che scorrono all'interno di un metallo strano dissipano energia alla massima velocità permessa dalle leggi della meccanica quantistica, e la loro resistenza elettrica, a differenza di un metallo ordinario, è direttamente proporzionale alla loro temperatura.

Trovare un modello che descriva il comportamento dei metalli strani è una delle più grandi sfide della fisica della materia condensata. Utilizzando delle tecniche computazionali, un team di ricercatori provenienti dal Flatiron Institute in New York City e della Cornell University ha risolto il primo modello teorico per questo nuovo stato della materia.

"Il fatto che li chiamiamo metalli strani dovrebbe far capire quanto abbiamo compreso del loro comportamento," racconta Olivier Parcollet, ricercatore presso il Flatiron Insitute e coautore dello studio. "I metalli strani condividono alcune proprietà con i buchi neri e aprono nuove direzioni di ricerca nella fisica teorica."

Per la meccanica quantistica, la resistenza elettrica è il prodotto delle interazioni degli elettroni con altri elettroni e con le impurità dei metalli. Più è grande il tempo medio tra due collisioni e più è bassa la resistenza del mezzo. Per un metallo ordinario la resistenza cresce con la temperatura ma seguendo una complessa funzione matematica, ma in alcuni casi particolari (come i superconduttori riscaldati appena sopra la soglia di superconduttività) questa può semplificarsi notevolmente. Per i metalli strani l'equazione è estremamente banale: una proporzionalità diretta tra la resistenza e la temperatura. La costante di proporzionalità dipende da alcune costanti fondamentali: la costante di Planck e quella di Boltzmann, per questo motivo sono detti anche "metalli Planckiani".

I modelli che descrivono questi materiali esistono da decenni, ma la loro risoluzione è tutt'altro che ovvia. L'entanglement tra gli elettroni impedisce che vengano trattati come singoli corpi e il numero enorme di particelle rende il tutto complesso. Nei metalli strani è stato possibile raggiungere l'entanglement tra oltre un miliardo di elettroni.

Il team di Peter Cha e Olivier Parcollet ha utilizzato dei sofisticati metodi computazionali per ottenere delle soluzioni numeriche di uno dei modelli che descrivono questi materiali. I risultati raccontano che i metalli strani sono un nuovo stato della materia, a metà tra gli "spin glass isolanti di Mott" e i "liquidi di Fermi".

"Abbiamo trovato un intera regione nello spazio delle fasi che mostra un comportamento Planckiano che non appartiene a nessuna delle classi precedentemente conosciuta," spiega Eun-Ah Kim, professore della Cornell University. "Questo stato quantistico non è completamente bloccato ma non è nemmeno completamente libero. È metallico, ma non vuole esserlo e spinge i livelli di caos al massimo previsto dalla meccanica quantistica."

Questo nuovo lavoro potrà aiutare i fisici a comprendere meglio la fisica dei superconduttori ad alta temperatura. I lavoro, come dicevamo in precedenza, possiede degli inaspettati collegamenti con l'astrofisica: anche i buchi neri presentato proprietà che dipendono dalla temperatura e dalle costanti di Planck e di Boltzmann, come il tempo di oscillazione dopo la fusione tra due buchi neri.

"Il fatto che ci siano delle proprietà simili in una scala che va dai metalli strani ai buchi neri è estremamente affascinante," afferma Parcollet.

FONTE: phys.org
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