Per anni i fisici hanno cercato di spiegare un fenomeno quantistico che si verifica in un’ampia classe di materiali superconduttori: Gli elettroni nei cosiddetti “metalli strani” si diffondono a velocità elevate in modi influenzati dalla temperatura.
Mondo quantistico – interpretazione artistica. Credito immagine: FLY:D tramite Unsplash, licenza gratuita
Capire perché ciò accade in alcuni metalli non convenzionali potrebbe contenere le chiavi di molti enigmi sui materiali quantistici, inclusa la superconduttività ad alta temperatura, a lungo ricercata dai fisici come mezzo più efficiente di trasferimento di energia elettrica.
In due nuovi articoli, una collaborazione internazionale di ricercatori quantistici, tra cui i fisici della Cornell, spiega, a livello microscopico, perché tale diffusione “planckiana” si verifica nel composto PdCrO2 mentre non avviene nel suo “sorello” quasi identico PdCoO2.
Lo scattering planckiano, la velocità con cui gli elettroni si scontrano con le imperfezioni del materiale e tra loro, aumenta linearmente con la temperatura.
Utilizzando un confronto tra PdCrO2 e PdCoO2 – che sono cristalli molto puliti con proprietà ben documentate – i ricercatori forniscono per la prima volta una descrizione quantitativamente accurata dell’origine del misterioso “tasso di diffusione Planckiano” nei metalli quantistici fortemente interagenti.
“Resistività lineare T dallo scattering magneto-elastico: applicazione al PdCrO2” pubblicato in Atti dell’Accademia Nazionale delle Scienze (PNAS).
In numerosi metalli strani, il tempo caratteristico tra le collisioni degli elettroni, tra loro e contro qualsiasi cosa incontrino sul loro percorso, è determinato dalla costante di Planck e dalla temperatura, detta Debanjan Chowdhuryassistente professore di fisica al College of Arts and Sciences e coautore dell’articolo.
La stragrande maggioranza dei superconduttori ad alta temperatura conosciuti, quando riscaldati al di sopra della loro temperatura superconduttiva, mostrano questa proprietà.
Questo è il motivo per cui si è creduto per un po’ che la chiave per comprendere l’origine della superconduttività ad alta temperatura risieda nella comprensione del filo comune tra questi materiali quantistici che porta a questa scala temporale planckiana universale.
“La motivazione alla base di questa teoria congiunta e della collaborazione sperimentale era quella di avere almeno un esempio materiale in cui ogni proprietà rilevante per il trasporto elettrico fosse conosciuta accuratamente e di costruire una teoria microscopica per l’origine dei tempi di diffusione planckiani”, ha detto Chowdhury.
“Per quanto ne so, questo è uno dei primi composti non convenzionali per i quali abbiamo una teoria quantitativa del trasporto a partire da un modello microscopico del materiale, che risulta essere già in grande accordo con l’esperimento.”
Considerato che la posta in gioco è alta nell’applicare questo metodo ad un uso molto efficiente dell’energia, c’è un enorme sforzo da parte della fisica della materia condensata per comprenderne la causa, ha detto Chowdhury.
“La cosa sfortunata è che questi materiali superconduttori sono davvero difficili da comprendere e modellare teoricamente”, ha affermato. “Quindi la nostra speranza era quella di concentrarci prima su un materiale più semplice, pulito e davvero ben caratterizzato per costruire una teoria per questo fenomeno”.
Il materiale quantistico scelto, PdCrO2, è una “delafossite” magnetica (una sorta di minerale di ossido di cromo) che Chowdhury definisce un esempio paradigmatico di un “materiale correlato interessante” con due specie di elettroni: un insieme di elettroni mobili che conducono liberamente l’elettricità e un altro insieme di elettroni immobili che mostrano magnetismo.
Il magnetismo elettronico nel PdCrO2 è fondamentale; nel composto gemello PdCoO2 tutto sembra uguale tranne che non c’è traccia di magnetismo. Nel PdCrO2 il trasporto elettrico è planckiano, mentre nel PdCoO2 non lo è.
Ma il magnetismo in sé non è tutto ciò che serve per spiegare l’origine delle scale temporali quantistiche di Planck.
“Il pezzo cruciale del puzzle si rivela essere un processo cooperativo inaspettato in cui gli elettroni interagiscono in concomitanza con le vibrazioni del cristallo e gli spin localizzati – gli elementi fondamentali del magnetismo”, ha affermato Juan Felipe Mendez Valderrama, dottorando in fisica e co. -autore principale insieme a Evyatar Tulipman del Weizmann Institute of Science di Israele.
“Ora possiamo cercare nuovi materiali candidati in cui questa interazione precedentemente ignorata gioca un ruolo dominante, e alterando uno di questi ingredienti possiamo innescare fenomeni completamente nuovi”.
Erez Berg del Weizmann Institute of Science, Elina Zhakina del Max Planck Institute e Andrew P. MacKenzie dell’Università di St. Andrews sono coautori di questa collaborazione.
Chowdhury e Berg, collaboratori di lunga data, hanno deciso di unire le forze nell’estate del 2022 quando hanno scoperto per caso di avere la stessa serie di idee per risolvere il puzzle quantistico sperimentale mentre partecipavano a un seminario estivo presso l’Aspen Center for Physics.
Lo studio sperimentale che ha motivato la teoria, “Investigazione sul comportamento planckiano in un ossido ad alta conduttività: PdCrO2”, pubblicato anche il 28 agosto su PNAS con tutti i suddetti tra gli autori.
“Il nostro studio ha identificato una fonte inevitabile, e precedentemente ignorata, di dispersione degli elettroni, nei materiali delafossitici”, ha detto Chowdhury.
“Anche se ci siamo concentrati su un materiale specifico, molte di queste considerazioni sono ugualmente rilevanti per una serie di altri materiali, forse più complicati. La nostra speranza è che la nuova comprensione porti a intuizioni fondamentali su una classe più ampia di materiali in cui il trasporto elettrico mostra la misteriosa scala temporale di Planckian”.
Fonte: Università Cornell
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