Anche per gli standard dei fisici quantistici, i metalli strani sono semplicemente strani. I materiali sono legati ai superconduttori ad alta temperatura e hanno connessioni sorprendenti con le proprietà dei buchi neri. Gli elettroni nei metalli strani dissipano l'energia alla velocità consentita dalle leggi della meccanica quantistica, e la resistività elettrica di uno strano metallo, a differenza di quella dei metalli ordinari, è proporzionale alla temperatura.

Generare una comprensione teorica dei metalli strani è una delle maggiori sfide nella fisica della materia condensata. Ora, utilizzando tecniche computazionali all'avanguardia, i ricercatori del Flatiron Institute di New York City e della Cornell University hanno risolto il primo robusto modello teorico di metalli strani. Il lavoro rivela che i metalli strani sono un nuovo stato della materia, i ricercatori riferiscono il 22 luglio nel Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze .

"Il fatto che li chiamiamo metalli strani dovrebbe dirti quanto li comprendiamo bene, ", afferma il coautore dello studio Olivier Parcollet, un ricercatore senior presso il Center for Computational Quantum Physics (CCQ) del Flatiron Institute. "I metalli strani condividono proprietà straordinarie con i buchi neri, aprendo nuove entusiasmanti direzioni per la fisica teorica."

Oltre a Parcollet, il gruppo di ricerca era composto dal dottorando della Cornell Peter Cha, Nils Wentzell, scienziato dei dati associato al CCQ, Il direttore del CCQ Antoine Georges, e il professore di fisica della Cornell Eun-Ah Kim.

Nel mondo della meccanica quantistica, la resistenza elettrica è un sottoprodotto degli elettroni che urtano le cose. Quando gli elettroni fluiscono attraverso un metallo, rimbalzano su altri elettroni o impurità nel metallo. Più tempo passa tra queste collisioni, minore è la resistenza elettrica del materiale.

Per i metalli tipici, la resistenza elettrica aumenta con la temperatura, seguendo un'equazione complessa. Ma in casi insoliti, come quando un superconduttore ad alta temperatura viene riscaldato appena sopra il punto in cui smette di funzionare, l'equazione diventa molto più semplice. In uno strano metallo, la conducibilità elettrica è direttamente collegata alla temperatura ea due costanti fondamentali dell'universo:la costante di Planck e la costante di Boltzmann. Di conseguenza, i metalli strani sono anche conosciuti come metalli di Planck.

Da decenni esistono modelli di strani metalli, ma risolvere accuratamente tali modelli si è rivelato fuori portata con i metodi esistenti. Gli entanglement quantistici tra gli elettroni significano che i fisici non possono trattare gli elettroni individualmente, e il semplice numero di particelle in un materiale rende i calcoli ancora più scoraggianti.

Cha e i suoi colleghi hanno impiegato due metodi diversi per risolvere il problema. Primo, hanno utilizzato un metodo di inclusione quantistica basato su idee sviluppate da Georges nei primi anni '90. Con questo metodo, invece di eseguire calcoli dettagliati sull'intero sistema quantistico, i fisici eseguono calcoli dettagliati solo su pochi atomi e trattano il resto del sistema in modo più semplice. Hanno quindi utilizzato un algoritmo di Monte Carlo quantistico (chiamato per il casinò del Mediterraneo), che utilizza il campionamento casuale per calcolare la risposta a un problema. I ricercatori hanno risolto il modello di strani metalli fino allo zero assoluto (meno 273,15 gradi Celsius), il limite inferiore irraggiungibile per le temperature nell'universo.

Il modello teorico risultante rivela l'esistenza di metalli strani come un nuovo stato della materia al confine con due fasi della materia precedentemente note:i vetri di spin isolanti di Mott e i liquidi di Fermi. "Abbiamo scoperto che c'è un'intera regione nello spazio delle fasi che mostra un comportamento planckiano che non appartiene a nessuna delle due fasi tra le quali stiamo passando, " dice Kim. "Questo stato liquido con spin quantistico non è così bloccato, ma non è nemmeno completamente gratuito. È un pigro, zuppa, stato fangoso. È metallico ma con riluttanza metallico, e sta spingendo il grado di caos al limite della meccanica quantistica".

Il nuovo lavoro potrebbe aiutare i fisici a comprendere meglio la fisica dei superconduttori a temperatura più elevata. Forse sorprendentemente, il lavoro ha collegamenti con l'astrofisica. Come metalli strani, i buchi neri mostrano proprietà che dipendono solo dalla temperatura e dalle costanti di Planck e Boltzmann, come la quantità di tempo in cui un buco nero "squilla" dopo la fusione con un altro buco nero. "Il fatto che trovi lo stesso ridimensionamento in tutti questi diversi sistemi, dai metalli di Planck ai buchi neri, è affascinante, "Dice Parcollet.