I fisici statunitensi ed europei alla ricerca di una spiegazione per la superconduttività ad alta temperatura sono rimasti sorpresi quando il loro modello teorico ha indicato l'esistenza di un materiale mai visto prima in un diverso regno della fisica:i materiali quantistici topologici.

In un nuovo studio previsto per questa settimana nella prima edizione del Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze ( PNAS ), Il fisico teorico della Rice University Qimiao Si e i colleghi del Rice Center for Quantum Materials di Houston e della Vienna University of Technology in Austria fanno previsioni che potrebbero aiutare i fisici sperimentali a creare ciò che gli autori hanno coniato un "semimetallo Weyl-Kondo, "un materiale quantistico con una collezione assortita di proprietà viste in materiali disparati come isolanti topologici, fermioni pesanti e superconduttori ad alta temperatura.

Tutti questi materiali rientrano nella voce "materiali quantistici, "ceramica, compositi stratificati e altri materiali il cui comportamento elettromagnetico non può essere spiegato dalla fisica classica. Nelle parole del noto scrittore scientifico Philip Ball, i materiali quantistici sono quelli in cui "gli aspetti quantistici si affermano tenacemente, e l'unico modo per comprendere appieno come si comporta il materiale è tenere in vista il quanto."

Questi comportamenti bizzarri si verificano solo a temperature molto fredde, dove non possono essere mascherati dalle forze travolgenti dell'energia termica. I materiali quantistici più celebri sono i superconduttori ad alta temperatura scoperti negli anni '80, così chiamati per la loro capacità di condurre corrente elettrica senza resistenza a temperature ben superiori a quelle dei tradizionali superconduttori. Un altro classico esempio sono i materiali fermionici pesanti scoperti alla fine degli anni '70. In questi, gli elettroni sembrano essere effettivamente centinaia di volte più massicci del normale e, altrettanto insolito, la massa effettiva dell'elettrone sembra variare fortemente al variare della temperatura.

Una generazione di fisici teorici ha dedicato la propria carriera a spiegare il funzionamento dei materiali quantistici. Il lavoro di Si si concentra sul comportamento collettivo che emerge nei materiali elettronici in fase di trasformazione da uno stato quantistico all'altro. È vicino a tali punti di trasformazione, o "punti critici quantistici, "che si verificano fenomeni come la superconduttività ad alta temperatura.

Nel 2001, Si e colleghi hanno proposto una nuova teoria che spiega come le fluttuazioni elettroniche tra due stati quantistici completamente diversi diano origine a tali comportamenti nei punti critici quantistici. La teoria ha permesso a Si e colleghi di fare una serie di previsioni sul comportamento quantistico che si presenterà in particolari tipi di materiale man mano che i materiali vengono raffreddati fino al punto critico quantistico. Nel 2014, Si è stato scelto per guidare il Centro di riso per i materiali quantistici (RCQM), uno sforzo a livello universitario che attinge al lavoro di più di una dozzina di gruppi Rice nelle scuole di scienze naturali e ingegneria.

"Siamo stati assolutamente affascinati dai materiali fortemente correlati, " Si ha detto del suo stesso gruppo. "Comportamenti collettivi come la criticità quantistica e la superconduttività ad alta temperatura sono sempre stati al centro della nostra attenzione.

"Negli ultimi due anni, diversi gruppi sperimentali hanno riportato topologia non banale nei materiali conduttori allo stato solido, ma è una questione aperta se ci siano stati di conduzione che hanno una topologia non banale e siano, allo stesso tempo, fortemente in interazione. Nessun materiale di questo tipo è stato realizzato, ma c'è molto interesse a cercarli".

Nel PNAS studio, Si ha detto che lui e il borsista post-dottorato Hsin-Hua Lai e la studentessa Sarah Grefe stavano lavorando con una serie di modelli per esaminare questioni relative alla criticità quantistica e ai superconduttori ad alta temperatura.

"Ci siamo davvero imbattuti in un modello in cui, All'improvviso, abbiamo scoperto che la massa era passata da come 1, 000 volte la massa di un elettrone a zero, " disse Lai. Una caratteristica distintiva dei "fermioni di Weyl, " particelle quantistiche sfuggenti proposte per la prima volta da Hermann Weyl più di 80 anni fa, è che hanno massa nulla.

Solo di recente gli sperimentatori hanno fornito prove dell'esistenza di materiali conduttori allo stato solido che si qualificano come ospiti di fermioni di Weyl. Questi materiali condividono alcune delle caratteristiche degli isolanti topologici, un tipo di materiale quantistico che ha guadagnato l'attenzione internazionale in seguito all'assegnazione del Premio Nobel 2016 per la Fisica, ma sono ben distinti in altri modi. Tradizionalmente, i materiali topologici sono stati definiti solo negli isolanti, e l'elettricità fluirebbe solo sulla superficie dei materiali e non attraverso la massa. I conduttori topologici, però, trasportare elettricità alla rinfusa, grazie ai fermioni di Weyl.

"Questi conduttori topologici possono essere descritti all'interno della struttura da manuale degli elettroni indipendenti, " Grefe ha detto. "La questione centrale, tanto impegnativo quanto affascinante, è questo:cosa succede quando le correlazioni elettroniche sono forti?"

Esaminando più da vicino il loro lavoro, si, Lai e Grefe hanno dimostrato che i loro fermioni di massa zero sono intimamente legati sia alle forti correlazioni elettroniche che alla topologia non banale.

"Ci siamo subito resi conto che questi sono fermioni di Weyl che hanno origine da una fisica di correlazione forte per eccellenza chiamata effetto Kondo, " Grefe ha detto. "Abbiamo quindi soprannominato questo stato un semimetallo Weyl-Kondo".

L'effetto Kondo cattura come una banda di elettroni, che sono così fortemente correlati tra loro da agire come spin localizzati, comportarsi in uno sfondo di elettroni di conduzione.

Insieme al coautore dello studio Silke Paschen, un fisico sperimentale dell'Università di Tecnologia di Vienna che stava trascorrendo sei mesi all'RCQM come visiting professor quando è stata fatta la scoperta, si, Lai e Grefe hanno cercato di identificare le firme sperimentali uniche del semimetallo Weyl-Kondo.

"Abbiamo scoperto che l'effetto Kondo fa muovere i fermioni di Weyl con una velocità che differisce di diversi ordini di grandezza dal caso non interagente, Lai ha detto. "Questo ci ha permesso di prevedere che le correlazioni elettroniche aumenteranno una particolare quantità nella dipendenza dalla temperatura del calore specifico di un incredibile fattore di un miliardo".

Si ha detto che questo effetto è enorme, anche per lo standard dei sistemi elettronici fortemente correlati, e il lavoro punta a un principio più ampio.

"L'effetto Kondo in questi tipi di materiali si verifica in prossimità dell'ordine magnetico, " Si ha detto. "Il nostro lavoro precedente ha dimostrato che la superconduttività ad alta temperatura tende a svilupparsi in sistemi sull'orlo dell'ordine magnetico, e questo studio suggerisce che anche lì si sviluppano alcuni stati topologici fortemente correlati.

"Questo potrebbe rappresentare un principio di progettazione che guiderà la ricerca di un'ampia varietà di stati topologici fortemente correlati, " Egli ha detto.