Gli elettroni nei metalli cercano di comportarsi come automobilisti obbedienti, ma finiscono più come autoscontri. Potrebbero essere conducenti spericolati, ma un nuovo studio condotto da Cornell conferma che questo caos ha un limite stabilito dalle leggi della meccanica quantistica.

La carta della squadra, "Resistività T-lineare da un tasso di scattering planckiano isotropo, " scritto in collaborazione con i ricercatori guidati da Louis Taillefer dell'Università di Sherbrooke in Canada, pubblicato il 28 luglio in Natura . L'autore principale del documento è Gael Grissonnanche, un borsista post-dottorato con il Kavli Institute at Cornell per Nanoscale Science.

I metalli trasportano corrente elettrica quando gli elettroni si muovono tutti insieme in tandem. Nella maggior parte dei metalli, come il rame e l'oro usati per i cavi elettrici, gli elettroni cercano di evitarsi l'un l'altro e fluiscono all'unisono. Però, nel caso di alcuni metalli "strani", questa armonia è rotta e gli elettroni dissipano energia rimbalzando l'uno sull'altro al ritmo più veloce possibile. Le leggi della meccanica quantistica svolgono essenzialmente il ruolo di un poliziotto del traffico di elettroni, dettare un limite superiore alla frequenza con cui possono verificarsi queste collisioni. Gli scienziati hanno precedentemente osservato questo limite sul tasso di collisione, noto anche come "limite di Planck", "ma non esiste una teoria concreta che spieghi perché dovrebbe esistere il limite, né si sapeva come gli elettroni raggiungessero questo limite nei metalli strani. Così Ramshaw e i suoi collaboratori si misero a misurarlo con attenzione.

"Empiricamente, sappiamo che gli elettroni possono solo rimbalzare l'uno nell'altro così velocemente. Ma non abbiamo idea del perché, " ha detto Brad Ramshaw, il Dick &Dale Reis Johnson Assistant Professor presso il College of Arts and Sciences, e l'autore senior del documento. "Prima, il "limite di Planck" è stato semplicemente dedotto dai dati utilizzando modelli molto semplici. Abbiamo fatto una misurazione e un calcolo molto accurati e abbiamo dimostrato che è davvero rispettato fin nei minimi dettagli. E abbiamo scoperto che è isotropo, quindi è lo stesso per gli elettroni che viaggiano in qualsiasi direzione. Ed è stata una grande sorpresa".

I ricercatori hanno concentrato il loro studio su un superconduttore ad alta temperatura a base di ossido di rame noto come cuprato. Lavorando con i collaboratori del National High Magnetic Field Laboratory di Tallahassee, Florida, hanno introdotto un campione di metallo cuprato in un magnete ibrido da 45 tesla, che detiene il record mondiale per la creazione del più alto campo magnetico continuo, e hanno registrato il cambiamento nella resistenza elettrica del campione spostando l'angolo del campo magnetico. Il team di Ramshaw ha quindi trascorso la maggior parte dei due anni a creare un software di analisi dei dati numerici per estrarre le informazioni pertinenti.

Sorprendentemente, sono stati in grado di analizzare i loro dati con le stesse equazioni relativamente semplici utilizzate per i metalli convenzionali, e hanno scoperto che gli elettroni del metallo cuprato obbedivano al limite di Planck.

"Questo approccio che abbiamo usato doveva essere troppo ingenuo, "Grissonnanche ha detto. "Per gli scienziati nel campo, non è ovvio a priori che dovrebbe funzionare, ma lo fa. Quindi con questa nuova scoperta, abbiamo preso due piccioni con una fava:abbiamo esteso la validità di questo semplice approccio ai metalli strani e abbiamo misurato accuratamente il limite di Planck. Stiamo finalmente sbloccando l'enigma dietro gli intensi movimenti degli elettroni in strani metalli".

"Non sembra dipendere dai dettagli del materiale in particolare, "Ha detto Taillefer. "Quindi deve essere qualcosa che è quasi come un principio prevalente, insensibile ai dettagli."

Ramshaw ritiene che altri ricercatori possano ora utilizzare questa struttura di calcolo per analizzare un'ampia classe di problemi e fenomeni sperimentali. Dopotutto, se funziona in metalli strani, dovrebbe funzionare in molti altri settori.

E forse quegli strani metalli sono un po' più ordinati di quanto si pensasse in precedenza.

"Hai questi ingredienti microscopici estremamente complicati e la meccanica quantistica e poi, fuori dall'altra parte, ottieni una legge molto semplice, che è la velocità di dispersione dipende solo dalla temperatura e nient'altro, con una pendenza pari alle costanti fondamentali della natura che conosciamo, " ha detto. "E quell'emergere di qualcosa di semplice da ingredienti così complicati è davvero bello e avvincente".

Tali scoperte potrebbero anche consentire una comprensione più profonda delle connessioni tra sistemi quantistici e fenomeni simili nella gravitazione, come la fisica dei buchi neri, in effetti, colmare il vertiginosamente piccolo mondo della meccanica quantistica e le loro teorie "doppie" nella relatività generale, due rami della fisica che gli scienziati hanno cercato di conciliare per quasi un secolo.

I coautori includono il dottorando Yawen Fang e ricercatori dell'Université de Sherbrooke in Canada, Università del Texas ad Austin, il National High Magnetic Field Laboratory e l'Università di Warwick nel Regno Unito.