Gli scienziati capiscono abbastanza bene come la temperatura influenzi la conduttanza elettrica nella maggior parte dei metalli comuni come il rame o l'argento. Ma negli ultimi anni, i ricercatori hanno rivolto la loro attenzione a una classe di materiali che non sembrano seguire le regole elettriche tradizionali. Comprendere questi cosiddetti "metalli strani" potrebbe fornire informazioni fondamentali sul mondo quantistico e potenzialmente aiutare gli scienziati a comprendere strani fenomeni come la superconduttività ad alta temperatura.
Ora, un gruppo di ricerca co-guidato da un fisico della Brown University ha aggiunto una nuova scoperta allo strano mix di metalli. In una ricerca pubblicata sulla rivista Nature, il team ha trovato uno strano comportamento metallico in un materiale in cui la carica elettrica non è trasportata da elettroni, ma da entità più "ondulatorie" chiamate coppie di Cooper.
Mentre gli elettroni appartengono a una classe di particelle chiamate fermioni, le coppie di Cooper agiscono come bosoni, che seguono regole molto diverse dai fermioni. Questa è la prima volta che uno strano comportamento dei metalli è stato visto in un sistema bosonico, e i ricercatori sperano che la scoperta possa essere utile per trovare una spiegazione su come funzionano gli strani metalli, qualcosa che è sfuggito agli scienziati per decenni.
"Abbiamo questi due tipi fondamentalmente diversi di particelle i cui comportamenti convergono attorno a un mistero", ha dichiarato Jim Valles, professore di fisica alla Brown e autore corrispondente dello studio. "Ciò che questo ci dice è che qualsiasi teoria per spiegare lo strano comportamento dei metalli non può essere specifica per nessuno dei due tipi di particelle".
Lo strano comportamento dei metalli è stato scoperto per la prima volta circa 30 anni fa in una classe di materiali chiamati cuprati. Questi materiali di ossido di rame sono più famosi per essere superconduttori ad alta temperatura, il che significa che conducono elettricità con resistenza zero a temperature molto superiori a quelle dei normali superconduttori. Ma anche a temperature superiori alla temperatura critica per la superconduttività, i cuprati agiscono in modo strano rispetto ad altri metalli.
All'aumentare della loro temperatura, la resistenza dei cuprati aumenta in modo strettamente lineare. Nei metalli normali, la resistenza aumenta solo fino ad un certo punto, diventando costante ad alte temperature in accordo con quella che è nota come teoria del liquido di Fermi. La resistenza sorge quando gli elettroni che fluiscono in un metallo entrano nella struttura atomica vibrante del metallo, causandone la dispersione. La teoria del liquido di Fermi stabilisce una velocità massima alla quale può verificarsi la diffusione degli elettroni.
Ma i metalli strani non seguono le regole del liquido di Fermi, e nessuno è sicuro di come funzionino. Quello che gli scienziati sanno è che la relazione temperatura-resistenza in metalli strani sembra essere correlata a due costanti fondamentali della natura: la costante di Boltzmann, che rappresenta l'energia prodotta dal movimento termico casuale, e la costante di Planck, che si riferisce all'energia di un fotone (una particella di luce).
"Per cercare di capire cosa sta succedendo in questi strani metalli, le persone hanno applicato approcci matematici simili a quelli usati per capire i buchi neri", ha spiegato Valles. Negli ultimi anni, Valles e i suoi colleghi hanno studiato l'attività elettrica in cui i portatori di carica non sono elettroni. Nel 1952, il premio Nobel Leon Cooper, ora professore emerito di fisica, scoprì che nei superconduttori normali (non il tipo ad alta temperatura scoperto in seguito), gli elettroni si uniscono per formare coppie di Cooper, che possono scivolare attraverso un reticolo atomico senza resistenza. Nonostante siano formati da due elettroni, che sono fermioni, le coppie di Cooper possono agire come bosoni.
"I sistemi di fermioni e bosoni di solito si comportano in modo molto diverso", ha spiegato Valles. "A differenza dei singoli fermioni, i bosoni sono autorizzati a condividere lo stesso stato quantistico, il che significa che possono muoversi collettivamente come molecole d'acqua nelle increspature di un'onda".
Nel 2019, Valles e i suoi colleghi hanno dimostrato che i bosoni della coppia Cooper possono produrre un comportamento metallico, il che significa che possono condurre elettricità con una certa quantità di resistenza. Questa di per sé è stata una scoperta sorprendente, dicono i ricercatori, perché elementi della teoria quantistica suggerivano che il fenomeno non dovrebbe essere possibile. Per quest'ultima ricerca, il team voleva vedere se i metalli bosonici della coppia di Cooper fossero anche metalli strani.
Il team ha utilizzato un materiale cuprato chiamato ossido di rame di ittrio bario modellato con piccoli fori che inducono lo stato metallico della coppia di Cooper. Il team ha raffreddato il materiale appena sopra la sua temperatura superconduttrice per osservare i cambiamenti nella sua conduttanza. Hanno trovato, come i metalli strani fermionici, una conduttanza metallica a coppia di Cooper che è lineare con la temperatura.
"È stata una sfida per i teorici trovare una spiegazione per ciò che vediamo in strani metalli", ha dichiarato Valles. "Il nostro lavoro mostra che se hai intenzione di modellare il trasporto di carica in metalli strani, quel modello deve applicarsi sia ai fermioni che ai bosoni, anche se questi tipi di particelle seguono regole fondamentalmente diverse".
In definitiva, una teoria di metalli strani potrebbe avere enormi implicazioni. Lo strano comportamento dei metalli potrebbe contenere la chiave per comprendere la superconduttività ad alta temperatura, che ha un vasto potenziale per cose come le reti elettriche senza perdita di dati e i computer quantistici. E poiché lo strano comportamento dei metalli sembra essere correlato alle costanti fondamentali dell'universo, la comprensione del loro comportamento potrebbe far luce sulle verità fondamentali di come funziona il mondo fisico.