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Aug 07, 2023

Fisica

La capacità di trasportare corrente dei cosiddetti metalli strani sfida le regole conosciute dell'elettricità. Ora Aavishkar Patel del Flatiron Institute di New York e i suoi colleghi hanno una spiegazione del perché

La capacità di trasportare corrente dei cosiddetti metalli strani sfida le regole conosciute dell'elettricità. Ora Aavishkar Patel del Flatiron Institute di New York e i suoi colleghi hanno una spiegazione del perché [1]. Dicono che il risultato potrebbe aiutare gli scienziati a trovare nuovi materiali che mostrano superconduttività ad alta temperatura, di cui la strana metallicità è uno stato precursore.

Se riscaldi una lastra di rame, la sua resistenza elettrica (quanto il materiale si oppone al flusso di corrente elettrica) aumenterà con il quadrato della temperatura. Ma se al rame aggiungiamo ossigeno, lantanio e bario, il comportamento cambia improvvisamente. Il materiale cuprato risultante non ha resistenza elettrica a temperature molto basse, ma quando diventa più caldo la resistenza aumenta linearmente con la temperatura, rendendolo un conduttore più povero di un normale metallo come il rame. Anche altre proprietà del materiale sono anormali, inclusa la sua capacità di assorbire calore e di trasportare una corrente elettrica che oscilla rapidamente. "Ma il cambiamento di resistività è il più sorprendente", dice Patel.

Gli scienziati hanno scoperto per la prima volta queste stranezze legate alla resistenza nel 1986, ma hanno faticato a spiegarne l’origine. L'anno scorso, gli esperimenti hanno confermato una teoria che spiega il comportamento a resistenza zero (superconduttività) nei cuprati. Ora i teorici hanno una spiegazione per la tendenza della resistenza lineare (strana metallicità) osservata nei cuprati e in altri materiali (vedi Punto di vista: il grafene rivela il suo lato strano).

Per capire perché i metalli strani sono conduttori più poveri dei metalli normali, Patel e i suoi colleghi si sono rivolti agli elettroni dei materiali, i portatori di corrente elettrica. Affinché il materiale abbia una resistenza maggiore a temperature più basse, il team ha pensato che gli elettroni dovessero muoversi più lentamente. Ma perché?

Una possibile causa considerata dal team era l’aumento delle collisioni tra gli elettroni, che in teoria dovrebbero rallentare le particelle, portando a un aumento della resistenza. L’aumento delle collisioni può infatti cambiare la quantità di moto dei singoli elettroni. Ma il team ha scoperto che questo cambiamento di per sé non influisce sulla resistenza, poiché la quantità di moto complessiva, la cosiddetta quantità di moto del centro di massa, rimane inalterata. Alcuni elettroni rallentano, mentre altri accelerano, quindi "il semplice aumento delle collisioni non basta", dice Patel.

Un'altra possibilità considerata dal team era una disomogeneità nel potenziale panorama energetico del materiale. Il team ha dimostrato che l’attraversamento di un “terreno accidentato” altera il momento del centro di massa degli elettroni, indipendentemente dal fatto che si scontrino o meno. Ma la resistività dipendente dalla temperatura in questo scenario corrisponde a quella vista per i metalli normali, non per quelli strani. "Ci siamo resi conto che doveva succedere qualcos'altro", afferma Patel.

Quel qualcos'altro si rivelò essere un intreccio. Modellando gli elettroni come se fossero in uno stato altamente entanglement, il team ha scoperto che su un terreno accidentato la forza dell'entanglement degli elettroni varia a seconda del punto del materiale in cui avviene l'entanglement. Questa disomogeneità dell'entanglement aggiunge casualità sia alla quantità di moto degli elettroni che alla frequenza con cui si scontrano (più forte è l'entanglement locale, più frequenti sono gli urti).

Ora invece di fluire tutti in una direzione attraverso il materiale, gli elettroni si muovono in ogni direzione. Questa irregolarità induce una caduta della quantità di moto del centro di massa molto più grande di quella riscontrata quando gli elettroni si muovono collettivamente. Cambia anche la dipendenza dalla temperatura della resistenza corrispondente in modo tale che segua quella lineare vista negli esperimenti. "Questa interazione di intreccio e non uniformità è un effetto nuovo", afferma Patel. "Non era stato preso in considerazione prima, nonostante fosse un collegamento relativamente semplice da realizzare."

“Questo lavoro fornisce una prospettiva fresca e nuova su un problema molto importante”, afferma Rafael Fernandes, teorico della materia condensata dell’Università del Minnesota che studia il comportamento collettivo degli elettroni in sistemi disordinati. “Non solo hanno trovato questo meccanismo universale per il comportamento dei metalli strani che non dipende da alcun dettaglio del materiale, ma hanno anche fornito un progresso concettuale su come pensare alle interazioni degli elettroni in materiali fortemente correlati. È bellissimo."