I materiali possono assumere proprietà completamente diverse a seconda della temperatura, pressione, tensione elettrica o altre grandezze fisiche. Nella fisica teorica dello stato solido, vengono utilizzati modelli informatici all'avanguardia per comprendere queste proprietà in dettaglio. A volte funziona bene, ma a volte si verificano strani effetti che sembrano ancora sconcertanti, come i fenomeni legati alla superconduttività ad alta temperatura.

Alcuni anni fa, gli scienziati della TU Wien erano già in grado di chiarire matematicamente dove si trova il confine tra l'area che segue le regole note e l'area in cui gli effetti insoliti giocano un ruolo importante. Ora, con l'aiuto di calcoli complessi su supercomputer, è stato possibile per la prima volta spiegare esattamente cosa succede quando questo confine viene superato:la repulsione tra gli elettroni viene improvvisamente contrastata da un'ulteriore forza attrattiva che consente effetti completamente controintuitivi.

Simile al modo in cui le molecole d'acqua si combinano per formare goccioline, gli elettroni possono quindi riunirsi in determinati punti, come se fossero parzialmente attaccati insieme. I risultati, che sono stati ottenuti in una cooperazione internazionale tra TU Wien, l'Università di Würzburg, l'Università dell'Aquila e la Georgetown University di Washington D.C., sono stati ora pubblicati sulla rivista Lettere di revisione fisica .

Verso l'infinito e oltre

"Gli elettroni sono carichi negativamente, si respingono. Perciò, gli elettroni che si muovono attraverso il materiale vengono dispersi da altri elettroni, " afferma il Prof. Alessandro Toschi dell'Istituto di Fisica dello Stato Solido della TU Wien. "Tuttavia, questa dispersione non è sempre ugualmente forte. È possibile che la repulsione tra gli elettroni sia schermata nel materiale. Questo dipende da molti fattori, come la composizione chimica del materiale."

Esattamente al confine dove iniziano ad apparire effetti insoliti, i processi di diffusione tra gli elettroni diventano teoricamente infinitamente forti a causa della mancanza di schermatura. Questo è noto come "divergenza" e queste divergenze rappresentano una grande sfida per la ricerca. "Per molto tempo, c'è stata una discussione molto controversa:queste divergenze hanno davvero un vero significato fisico?" dice Patrick Chalupa, che sta studiando questo problema nell'ambito della sua tesi nel gruppo di Alessandro Toschi. "Siamo stati in grado di rispondere a questa domanda:sì, queste divergenze non sono solo una curiosità matematica, ma la chiave per una migliore comprensione di importanti effetti materiali, "dice Matthias Reitner, che ha scritto la sua tesi di laurea su questo argomento.

Se ti avvicini al limite matematico, la repulsione diventa sempre più forte. Al limite, la corrispondente dispersione tra gli elettroni diventa infinitamente grande, ma se oltrepassi il limite, accade qualcosa di sorprendente:la repulsione provoca improvvisamente un'ulteriore attrazione. Questa efficace attrazione costringe gli elettroni a raccogliersi in determinati punti in uno spazio ristretto, come se fossero parzialmente attaccati insieme. Questo drastico cambiamento di comportamento è strettamente correlato al verificarsi delle divergenze.

transizione di fase, simile al vapore acqueo

"Il risultato è una situazione che ricorda l'acqua liquida e il vapore acqueo, "dice Alessandro Toschi, "in determinate condizioni c'è un'attrazione tra le molecole d'acqua. Si legano tra loro e creano una miscela di goccioline liquide e vapore gassoso. Tuttavia, l'origine di questa attrazione è completamente diversa nei due casi."

Per la prima volta, è stato possibile ottenere un quadro dettagliato di ciò che accade in tali situazioni dal punto di vista della scienza dei materiali a livello microscopico. "Ciò significa che ora è possibile capire esattamente perché certi approcci matematici, cosiddetti metodi perturbativi, non ha prodotto il risultato giusto, "dice Patrick Chalupa.

Questa nuova intuizione microscopica potrebbe essere un pezzo mancante del puzzle per la comprensione teorica dei cosiddetti superconduttori non convenzionali. Sono materiali a base di ferro, rame o nichel che possono essere superconduttori in determinate condizioni fino a temperature sorprendentemente elevate. "Forse saremo finalmente in grado di rispondere ad alcune delle domande essenziali che sono rimaste senza risposta dalla scoperta di questi misteriosi materiali 40 anni fa, " spera Matthias Reitner.