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Jan 12, 2024

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

17 agosto 2023 Questo articolo è stato rivisto in base al processo editoriale e alle politiche di Science X. Gli editori hanno evidenziato i seguenti attributi garantendo al tempo stesso la credibilità del contenuto:

17 agosto 2023

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dalla Fondazione Simons

Per quasi 40 anni, i materiali chiamati “metalli strani” hanno sconcertato i fisici quantistici, sfidando ogni spiegazione poiché operano al di fuori delle normali regole dell’elettricità.

Ora la ricerca condotta da Aavishkar Patel del Center for Computational Quantum Physics (CCQ) del Flatiron Institute di New York City ha identificato, finalmente, un meccanismo che spiega le proprietà caratteristiche dei metalli strani.

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

Uno strano comportamento dei metalli si riscontra in molti materiali quantistici, compresi alcuni che, con piccoli cambiamenti, possono diventare superconduttori (materiali in cui gli elettroni fluiscono con resistenza zero a temperature sufficientemente basse). Questa relazione suggerisce che la comprensione di metalli strani potrebbe aiutare i ricercatori a identificare nuovi tipi di superconduttività.

La nuova teoria, sorprendentemente semplice, spiega molte stranezze relative ai metalli strani, ad esempio perché il cambiamento nella resistività elettrica – una misura della facilità con cui gli elettroni possono fluire attraverso il materiale come corrente elettrica – è direttamente proporzionale alla temperatura, anche a temperature estremamente basse. Questa relazione significa che un metallo strano resiste al flusso di 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 di metalli strani. In primo luogo, i loro elettroni possono diventare legati tra loro in modo quantomeccanico, legando i loro destini, e rimangono legati anche quando sono lontani. In secondo luogo, i metalli strani hanno una disposizione degli atomi non uniforme, simile a un mosaico.

Nessuna delle due proprietà da sola spiega le stranezze dei metalli strani, ma presi insieme, "tutto va a posto", dice Patel, che lavora come Flatiron Research Fellow presso il CCQ.

L'irregolarità della disposizione atomica di uno strano metallo significa che gli entanglement degli elettroni variano a seconda del punto del materiale in cui è avvenuto l'entanglement. Questa varietà aggiunge casualità alla quantità di moto degli elettroni mentre si muovono attraverso il materiale e interagiscono tra loro. Invece di fluire tutti insieme, gli elettroni si scontrano in tutte le direzioni, provocando resistenza elettrica. Poiché gli elettroni si scontrano tanto più spesso quanto più il materiale diventa caldo, la resistenza elettrica aumenta insieme alla temperatura.

"Questa interazione di intreccio e non uniformità è un effetto nuovo; non era mai stato considerato prima per nessun materiale", dice Patel. "In retrospettiva, è una cosa estremamente semplice. Per molto tempo, la gente ha reso l'intera storia degli strani metalli inutilmente complicata, e non era proprio la cosa giusta da fare."

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

"Ci sono casi in cui qualcosa vuole diventare superconduttore ma non lo fa, perché la superconduttività è bloccata da un altro stato concorrente", dice. "Ci si potrebbe chiedere quindi se la presenza di queste non uniformità possa distruggere questi altri stati con cui compete la superconduttività e lasciare la strada aperta alla superconduttività."

Ora che i metalli strani sono un po’ meno strani, il nome potrebbe sembrare meno appropriato di quanto lo fosse in passato. "A questo punto mi piacerebbe chiamarli metalli insoliti, non strani", dice Patel.