La nostra comprensione teorica del modo in cui i metalli conducono l'elettricità è incompleta. L'attuale tassonomia sembra essere troppo sfocata e contiene troppe eccezioni per essere convincente. Questa è la conclusione a cui sono giunti gli scienziati dei materiali dell'Università di Groningen dopo aver esaminato a fondo la recente letteratura sui metalli. Hanno analizzato più di 30 metalli e hanno dimostrato che una formula semplice può fornire una classificazione dei metalli in modo più sistematico. La loro analisi è stata pubblicata in Physical Review B il 29 agosto.

I metalli conducono l'elettricità, ma non tutti allo stesso modo. Gli scienziati differenziano diverse classi di metalli con nomi come "correlato", "normale", "strano" o "annuncio". I metalli in queste classi differiscono, ad esempio, nel modo in cui la loro resistività risponde all'aumento delle temperature. "Eravamo interessati ai metalli che potevano cambiare da conduttore a isolante e viceversa", spiega Beatriz Noheda, professoressa di nanomateriali funzionali all'Università di Groningen. È direttrice scientifica del centro di ricerca CogniGron, che sviluppa paradigmi di sistemi centrati sui materiali per il cognitive computing. "A tale scopo, vorremmo realizzare materiali che non possano essere solo isolanti o conduttori, ma che possano anche cambiare tra quegli stati."

Qualcosa di inaspettato

Studiando la letteratura sulla resistività dei metalli, lei e i suoi colleghi hanno scoperto che la demarcazione tra le diverse classi di metalli non era netta. "Quindi, abbiamo deciso di dare un'occhiata a un ampio campione di metalli". Qikai Guo, ex ricercatore post-dottorato nel team di Noheda e ora presso la School of Microelectronics dell'Università di Shandong, Cina, e i loro colleghi dell'Università di Saragozza (Spagna) e del CNRS (Francia) hanno utilizzato il cambiamento della resistività all'aumento delle temperature come strumento per confrontare più di 30 metalli, in parte sulla base dei dati della letteratura e in parte sulla base delle proprie misurazioni.

"La teoria afferma che la risposta di resistività è dettata dalla dispersione degli elettroni e che esistono diversi meccanismi di dispersione a diverse temperature", spiega Noheda. Ad esempio, a temperature molto basse, si trova un aumento quadratico, che si dice sia il risultato dello scattering elettrone-elettrone. Tuttavia, alcuni materiali (metalli "strani") mostrano un comportamento lineare rigoroso che non è ancora stato compreso. Si pensava che lo scattering elettrone-fonone avvenisse a temperature più elevate e ciò si traduce in un aumento lineare. Tuttavia, la dispersione non può aumentare indefinitamente, il che significa che la saturazione dovrebbe verificarsi a una certa temperatura. "Tuttavia, alcuni metalli non mostrano saturazione all'interno dell'intervallo di temperatura misurabile e questi sono stati indicati come metalli 'cattivi'", afferma Noheda.

Analizzando le risposte dei diversi tipi di metalli all'aumento delle temperature, Noheda e i suoi colleghi si sono imbattuti in qualcosa di inaspettato:"Potremmo adattare tutti i set di dati con lo stesso tipo di formula". Questa si è rivelata un'espansione di Taylor, in cui la resistività r è descritta come r =r₀ + A₁ T + A₂ T ² + A₃ T ³ ..., dove T è la temperatura, mentre r₀ e i vari valori A sono costanti diverse. "Abbiamo scoperto che l'utilizzo di un termine lineare e quadratico è sufficiente per produrre un ottimo adattamento per tutti i metalli", spiega Noheda.

Più trasparente

Nel documento, viene mostrato che il comportamento in diversi tipi di metalli è determinato dall'importanza relativa di A₁ e A₂ e per la grandezza di r₀ . Noheda dice:"La nostra formula è una descrizione puramente matematica, senza alcuna ipotesi fisica, e dipende solo da due parametri". Ciò significa che i regimi lineare e quadratico non descrivono meccanismi diversi, come lo scattering elettrone-fonone e l'elettrone-elettrone, ma rappresentano solo il lineare (per dissipazione incoerente, dove la fase dell'onda elettronica viene modificata dallo scattering) e non -contributi lineari coerenti (dove la fase è invariata) allo scattering.

In questo modo, una formula può descrivere la resistività per tutti i metalli, siano essi normali, correlati, cattivi, strani o altro. Il vantaggio è che ora tutti i metalli possono essere classificati in modo semplice e più trasparente per i non esperti. Ma questa descrizione porta anche un'altra ricompensa:mostra che il termine di dissipazione lineare a basse temperature (chiamato dissipazione planckiana) si manifesta in tutti i metalli. Questa universalità è qualcosa a cui altri avevano già accennato, ma questa formula mostra chiaramente che è proprio così.

Noheda e i suoi colleghi non sono specialisti dei metalli. "Siamo venuti da fuori campo, il che significava che abbiamo dato una nuova occhiata ai dati. Quello che è andato storto, secondo noi, è che le persone hanno cercato il significato e hanno collegato meccanismi ai termini lineari e quadratici. Forse, alcune delle conclusioni estratti in questo modo devono essere rivisti. È noto che la teoria in questo campo è incompleta." Noheda e i suoi colleghi sperano che i fisici teorici trovino ora un modo per reinterpretare alcuni dei risultati precedenti grazie alla formula che hanno trovato. "Ma nel frattempo, la nostra descrizione puramente fenomenologica ci consente di confrontare metalli di classi diverse". + Esplora ulteriormente

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