Le misurazioni su un materiale superconduttore mostrano una brusca transizione tra un metallo normale e un metallo "strano". La cosa davvero strana, però, è che questa bruschezza scompare quando la temperatura scende. "Non abbiamo alcun macchinario teorico per questo, " dice il fisico teorico Jan Zaanen, coautore di a Scienza articolo, "questo è qualcosa che solo un computer quantistico può calcolare".

I superconduttori hanno fornito sorprese per oltre un secolo. Nel 1911, Heike Kamerlingh Onnes a Leiden ha scoperto che il mercurio conduce corrente elettrica senza alcuna resistenza a 4,2 Kelvin (4,5 gradi sopra lo zero assoluto, o -273,15 gradi Celsius).

Il fenomeno è stato spiegato solo nel 1957, e nel 1986, un nuovo tipo di superconduttività è stato scoperto negli ossidi di rame complessi. Questa superconduttività ad alta temperatura sopravvive anche a temperature miti di 92 Kelvin.

Se potesse essere esteso verso la temperatura ambiente, superconduttività significherebbe applicazioni tecnologiche senza precedenti, ma così lontano, il fenomeno ha schivato una spiegazione completa. Questo non per mancanza di sforzo da parte di fisici come Jan Zaanen, coautore e teorico della casa con un gruppo di fisici sperimentali di Stanford che ha pubblicato un articolo in Scienza .

Strano metallo

"Suppongo che farà impressione, " Zaanen scrive della pubblicazione. "Anche per Scienza standard, questo non è un articolo banale."

Dal 1957, è noto che la superconduttività è causata da elettroni che formano coppie, che può navigare senza ostacoli attraverso un cristallo. Questo accade solo al di sotto di una temperatura critica, Tc. Però, anche al di sopra di questa temperatura, i superconduttori ad alto Tc mostrano un comportamento strano. In questa strana fase metallica, gli elettroni non si comportano come particelle ampiamente indipendenti, come fanno nei metalli normali, ma come collettivi.

Sudi Chen e colleghi della Stanford University hanno studiato la transizione tra normale e strano nell'ossido di rame superconduttore Bi(2212), utilizzando la tecnica ARPES (Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy). In ARPES, la luce UV intensa è diretta al campione, trasportando energia che può espellere elettroni da esso. L'energia e la velocità di tali elettroni espulsi tradiscono il comportamento degli elettroni all'interno del campione.

Acqua bollente

A parte la temperatura, il parametro doping è fondamentale. Modificando l'esatta chimica del materiale, il numero di portatori di carica che si muovono liberamente può essere variato, che ne influenza le proprietà.

A temperature relativamente calde, appena sopra il Tc più alto possibile, la transizione tra il metallo normale e quello strano avviene tra una percentuale di doping del 19 e del 20 percento. A questo passaggio, Chen e colleghi mostrano che la distribuzione dell'energia degli elettroni cambia bruscamente. Tali transizioni discontinue sono comuni in fisica. Un esempio è l'acqua bollente:al passaggio dall'acqua liquida al vapore, la densità fa un gigantesco salto discontinuo.

Ma la cosa strana è che in questo caso, la discontinuità scompare quando la temperatura si abbassa nel regno superconduttore:la brusca si attenua, e le proprietà cambiano improvvisamente continuamente.

Pattumiera

"Allora qual è il caso? Secondo un principio fisico generale, comportamento discontinuo alle alte temperature dovrebbe tradursi in una transizione discontinua alle basse temperature, " dice Zaanen. "Il fatto che questo non accada è in contrasto con qualsiasi calcolo fino ad ora. L'intera macchina teorica ci sta fallendo».

Ciò significa anche che la cosiddetta transizione critica quantistica, uno dei preferiti tra le spiegazioni, può essere gettato nella pattumiera perché prevede un comportamento continuo del segnale ARPES al variare del doping.

Secondo Zaanen, tutto questo è una chiara indicazione che la strana fase metallica è una conseguenza dell'entanglement quantistico. Questo è l'entanglement delle proprietà della meccanica quantistica delle particelle che è anche un ingrediente essenziale per i computer quantistici.

Computer quantistici

Quindi, Zaanen pensa, questo comportamento può essere calcolato in modo soddisfacente solo utilizzando un computer quantistico. Ancor più che violare codici di sicurezza o calcolare molecole, lo strano metallo è il banco di prova ideale, dove i computer quantistici possono mostrare i loro vantaggi rispetto ai computer normali.

La morale della storia, dice Zaanen, è che l'origine della superconduttività stessa è sempre più una questione secondaria. "Dopo trent'anni, stanno crescendo le prove che l'elevata superconduttività Tc sta puntando verso una forma di materia radicalmente nuova, che è governato dalle conseguenze dell'entanglement quantistico nel mondo macroscopico".