Nuove misurazioni hanno risolto un mistero nella fisica dello stato solido:come è possibile che alcuni metalli non sembrino rispettare le regole valide?

I metalli sono generalmente considerati solidi, materiali infrangibili che conducono elettricità e mostrano una tipica lucentezza metallica. Il comportamento dei metalli classici, Per esempio, la loro conduttività elettrica, può essere spiegato con ben noto, teorie fisiche ben collaudate.

Ma ci sono anche composti metallici più esotici che pongono enigmi:alcune leghe sono dure e fragili, speciali ossidi metallici possono essere trasparenti. Ci sono anche materiali proprio al confine tra metallo e isolante:piccoli cambiamenti nella composizione chimica trasformano il metallo in un isolante, o viceversa. In tali materiali, si verificano stati metallici con conducibilità elettrica estremamente scarsa; questi sono indicati come "metalli cattivi". Fino ad ora, sembrava che questi "metalli cattivi" semplicemente non potessero essere spiegati con teorie convenzionali. Nuove misurazioni ora mostrano che questi metalli non sono poi così "cattivi". A un esame più attento, il loro comportamento si sposa perfettamente con quanto già sapevamo sui metalli.

Piccolo cambiamento, grande differenza

Il prof. Andrej Pustogow e il suo gruppo di ricerca presso l'Istituto di fisica dello stato solido della TU Wien (Vienna) stanno conducendo ricerche su materiali metallici speciali, piccoli cristalli che sono stati appositamente coltivati ​​in laboratorio. "Questi cristalli possono assumere le proprietà di un metallo, ma se si varia un po' la composizione, abbiamo improvvisamente a che fare con un isolante che non conduce più elettricità ed è trasparente come il vetro a determinate frequenze, "dice Pustogow.

Proprio in questo passaggio, si incontra un fenomeno insolito:la resistenza elettrica del metallo diventa estremamente grande, più grande, infatti, di quanto dovrebbe essere possibile secondo le teorie convenzionali. "La resistenza elettrica ha a che fare con gli elettroni che vengono dispersi l'uno sull'altro o sugli atomi del materiale, " spiega Andrej Pustogow. Secondo questa visione, la massima resistenza elettrica possibile dovrebbe verificarsi se l'elettrone viene disperso in ogni singolo atomo nel suo percorso attraverso il materiale, dopo tutto, non c'è nulla tra un atomo e il suo vicino che possa allontanare l'elettrone dal suo percorso. Ma questa regola non sembra applicarsi ai cosiddetti "metalli cattivi":mostrano una resistenza molto più alta di quella che questo modello consentirebbe.

Tutto dipende dalla frequenza

La chiave per risolvere questo enigma è che le proprietà del materiale dipendono dalla frequenza. "Se si misura semplicemente la resistenza elettrica applicando una tensione continua, ottieni solo un numero:la resistenza a frequenza zero, " dice Andrej Pustogow. "Noi, d'altra parte, ha effettuato misurazioni ottiche utilizzando onde luminose con frequenze diverse."

Ciò ha dimostrato che i "metalli cattivi" non sono poi così "cattivi":alle basse frequenze difficilmente conducono corrente, ma a frequenze più alte si comportano come ci si aspetterebbe dai metalli. Il team di ricerca considera piccole quantità di impurità o difetti nel materiale, che non può più essere adeguatamente schermato da un metallo al confine con un isolante, come possibile causa. Questi difetti possono far sì che alcune aree del cristallo non conducano più elettricità perché lì gli elettroni rimangono localizzati in un determinato luogo invece di muoversi attraverso il materiale. Se viene applicata una tensione continua al materiale in modo che gli elettroni possano spostarsi da un lato all'altro del cristallo, allora virtualmente ogni elettrone alla fine colpirà una tale regione isolante e la corrente difficilmente potrà fluire.

Ad alta frequenza AC, d'altra parte, ogni elettrone si muove avanti e indietro continuamente, non copre una lunga distanza nel cristallo perché continua a cambiare direzione. Ciò significa che in questo caso molti elettroni non entrano nemmeno in contatto con una delle regioni isolanti del cristallo.

Spero in ulteriori importanti passi

"I nostri risultati mostrano che la spettroscopia ottica è uno strumento molto importante per rispondere a domande fondamentali nella fisica dello stato solido, " dice Andrej Pustogow. "Molte osservazioni per le quali in precedenza si credeva che esotico, nuovi modelli che dovevano essere sviluppati potrebbero benissimo essere spiegati dalle teorie esistenti se fossero adeguatamente estese. Il nostro metodo di misurazione mostra dove sono necessarie le aggiunte." Già in studi precedenti, Il Prof. Pustogow e i suoi colleghi internazionali hanno acquisito importanti informazioni sulla regione di confine tra metallo e isolante, utilizzando metodi spettroscopici, stabilendo così un fondamento per la teoria, .

Il comportamento metallico dei materiali soggetti a forti correlazioni tra gli elettroni è particolarmente rilevante anche per la cosiddetta "superconduttività non convenzionale", fenomeno scoperto mezzo secolo fa ma ancora non del tutto compreso.