Incontra strani metalli: dove l'elettricità può fluire senza elettroni | Rivista Quanti

Dopo un anno di tentativi ed errori, Liyang Chen era riuscito a ridurre un filo metallico in un filamento microscopico largo la metà di un filo. E.coli batterio: abbastanza sottile da consentire il passaggio di un filo di corrente elettrica. Chen sperava che le gocce di quella corrente potessero aiutare a risolvere un mistero persistente su come la carica si muove attraverso una sconcertante classe di materiali noti come metalli strani.

Chen, allora studente laureato, e i suoi collaboratori alla Rice University misurarono la corrente che scorreva attraverso il loro filo di metallo sottile come un atomo. E hanno scoperto che scorreva in modo fluido e uniforme. Così uniforme, infatti, da sfidare la concezione standard dei fisici sull'elettricità nei metalli.

Canonicamente, la corrente elettrica risulta dal movimento collettivo di elettroni, ciascuno dei quali trasporta un pezzo indivisibile di carica elettrica. Ma la costante stabilità della corrente di Chen implicava che non fosse affatto composta da unità. Era come trovare un liquido a cui in qualche modo mancavano molecole individualmente riconoscibili.

Anche se ciò potrebbe sembrare stravagante, è esattamente ciò che alcuni fisici si aspettavano dal metallo testato dal gruppo, che insieme ai suoi insoliti parenti ha ingannato e sconcertato i fisici sin dagli anni '1980. "È un lavoro molto bello", ha detto Subir Sachdev, un fisico teorico dell'Università di Harvard specializzato in metalli strani.

L'osservazione, segnalato la scorsa settimana nella rivista Scienze, è una delle indicazioni più semplici finora che qualunque cosa trasporta corrente attraverso questi metalli insoliti non assomiglia per niente agli elettroni. Il nuovo esperimento rafforza i sospetti che un nuovo fenomeno quantistico stia emergendo all’interno di strani metalli. Fornisce inoltre nuovo stimolo ai fisici teorici che tentano di capire cosa potrebbe essere. 

"Metalli strani, nessuno ha la minima idea da dove provengano", ha detto Pietro Abbamonte, un fisico dell'Università dell'Illinois, Urbana-Champaign. "Una volta era considerato un inconveniente, ma ora ci rendiamo conto che vivere in queste cose è davvero una fase diversa della materia."

Una chiave cuprata

La prima sfida alla comprensione convenzionale dei metalli arrivò nel 1986, quando Georg Bednorz e Karl Alex Müller sconvolsero il mondo della fisica con la scoperta dei superconduttori ad alta temperatura, materiali che trasportano perfettamente la corrente elettrica anche a temperature relativamente calde. Metalli familiari come lo stagno e il mercurio diventano superconduttori solo quando vengono raffreddati entro pochi gradi dallo zero assoluto. Bednorz e Müller misurarono la resistenza elettrica in un materiale a base di rame (“cuprato”) e videro che svaniva a una temperatura relativamente mite di 35 Kelvin. (Per la loro scoperta rivoluzionaria, Bednorz e Müller intascarono un premio Nobel solo un anno dopo.)

I fisici si resero presto conto che la superconduttività ad alta temperatura era solo l'inizio del misterioso comportamento dei cuprati.

I cuprati sono diventati davvero strani quando hanno smesso di essere superconduttori e hanno iniziato a resistere. Poiché tutti i metalli si riscaldano, la resistenza aumenta. Temperature più calde significano che gli atomi e gli elettroni oscillano di più, creando più collisioni che inducono resistenza mentre gli elettroni trasportano la corrente attraverso un materiale. Nei metalli normali, come il nichel, la resistenza aumenta quadraticamente alle basse temperature, dapprima lentamente e poi sempre più velocemente. Ma nei cuprati, l’aumento è stato lineare: ogni grado di riscaldamento ha comportato lo stesso aumento di resistenza: uno schema bizzarro che è continuato per centinaia di gradi e, in termini di stranezza, ha messo in ombra la capacità superconduttiva del materiale. I cuprati erano i metalli più strani che i ricercatori avessero mai visto.

"La superconduttività è un topo", ha detto Andrej Chubukov, fisico teorico dell'Università del Minnesota. "L'elefante... ha questo strano comportamento metallico."

L’aumento lineare della resistenza minacciava una celebre spiegazione di come la carica elettrica si muove attraverso i metalli. Proposta nel 1956, la teoria del “liquido di Fermi” di Lev Landau poneva gli elettroni al centro di tutto. Si basava su teorie precedenti che, per semplicità, presupponevano che gli elettroni trasportassero corrente elettrica e che gli elettroni si muovessero attraverso un metallo come un gas; volano liberamente tra gli atomi senza interagire tra loro.

Landau aggiunse un modo per gestire il fatto cruciale ma complicato che gli elettroni interagiscono. Sono carichi negativamente, il che significa che si respingono costantemente. Considerando che questa interazione tra le particelle ha trasformato il gas di elettroni in una sorta di oceano, ora, mentre un elettrone si muoveva attraverso il fluido di elettroni, disturbava gli elettroni vicini. Attraverso una complicata serie di interazioni che comportavano la mutua repulsione, questi elettroni che ora interagivano dolcemente finirono per viaggiare in folle, in gruppi noti come quasiparticelle.

Il miracolo della teoria del liquido di Fermi era che ogni quasiparticella si comportava quasi esattamente come se fosse un singolo elettrone fondamentale. Una delle differenze principali, tuttavia, era che queste masse si muovevano più lentamente o più agilmente (a seconda del materiale) rispetto a un elettrone nudo, agendo effettivamente più pesanti o più leggere. Ora, semplicemente aggiustando i termini di massa nelle loro equazioni, i fisici potevano continuare a considerare la corrente come movimento di elettroni, solo con un asterisco che specificava che ogni elettrone era in realtà un ammasso di quasiparticelle.

Un grande successo della struttura di Landau è stato che, nei metalli normali, ha centrato il modo complicato in cui la resistenza aumenta quadraticamente con la temperatura. Le quasiparticelle simili agli elettroni divennero il modo standard di comprendere i metalli. "È in ogni libro di testo", ha detto Sachdev.

Ma nei cuprati la teoria di Landau fallì clamorosamente. La resistenza è aumentata lungo una linea immacolata anziché secondo la curva quadratica standard. I fisici hanno a lungo interpretato questa linea come un segno che i cuprati ospitano un nuovo fenomeno fisico.

"Devi praticamente credere che la natura ti stia dando un indizio o che la natura sia incredibilmente crudele", ha detto Gregorio Boebinger, un fisico della Florida State University che ha trascorso gran parte della sua carriera a studiare la risposta lineare dei cuprati. "Appoggiare una firma così terribilmente semplice e accattivante e non avere alcuna importanza fisica sarebbe semplicemente troppo da sopportare."

E i cuprati erano solo l’inizio. Da allora i ricercatori hanno scoperto a miriade di materiali disparati con la stessa affascinante resistenza lineare, compresi i “sali di Bechgaard” organici e fogli di grafene disallineati. Mentre questi “strani metalli” proliferavano, gli scienziati si chiedevano perché la teoria del fluido di Fermi di Landau sembrasse fallire in tutti questi diversi materiali. Alcuni arrivarono a sospettare che ciò fosse dovuto al fatto che non esistevano affatto quasiparticelle; gli elettroni in qualche modo si stavano organizzando in un modo nuovo e strano che oscurava ogni individualità, proprio come la natura discreta dell'uva si perde in una bottiglia di vino.

"È una fase della materia in cui un elettrone non ha davvero identità", ha detto Abbamonte. “Tuttavia, [uno strano metallo] è un metallo; in qualche modo trasporta corrente.

Ma non si aboliscono semplicemente gli elettroni. Per alcuni scienziati, una corrente elettrica potenzialmente continua – che non sia divisa in elettroni – è troppo radicale. E alcuni strani esperimenti sui metalli continuano a corrispondere ad alcune previsioni della teoria di Landau. La controversia persistente ha spinto il relatore della tesi di Chen, Douglas Natelson della Rice University, insieme al suo collega Qimiao Si, per considerare come esaminare più direttamente l'anatomia della carica che si muove attraverso uno strano metallo.

"Cosa potrei misurare per dirmi effettivamente cosa sta succedendo?" si chiese Natelson.

L'anatomia dell'elettricità

L'obiettivo della squadra era sezionare la corrente in uno strano metallo. È arrivato in pezzi di carica delle dimensioni di un elettrone? È arrivato a pezzi? Per scoprirlo, si sono ispirati a un modo classico di misurare le fluttuazioni di un flusso – il “rumore di sparo” – un fenomeno che può essere compreso se pensiamo ai modi in cui la pioggia potrebbe cadere durante un temporale.

Immaginate di essere seduti in macchina e di sapere da previsioni meteo attendibili che nella prossima ora cadranno 5 millimetri di pioggia. Quei 5 millimetri equivalgono alla corrente elettrica totale. Se la pioggia viene suddivisa in una manciata di gocce giganti, la variazione nel momento in cui queste colpiscono il tetto sarà elevata; a volte le gocce schizzeranno una dopo l'altra e altre volte saranno distanziate. In questo caso, il rumore dello scatto è elevato. Ma se gli stessi 5 millimetri di pioggia si diffondono in una nebbia costante di minuscole goccioline, la variazione nel tempo di arrivo – e quindi nel rumore dello sparo – sarà bassa. La nebbia erogherà senza problemi quasi la stessa quantità di acqua di momento in momento. In questo modo il rumore dello scatto rivela la dimensione delle gocce.

"Semplicemente misurare la velocità con cui l'acqua si presenta non fornisce il quadro completo", ha detto Natelson. "Misurare le fluttuazioni [di quel tasso] ti dice molto di più."

Allo stesso modo, ascoltare il crepitio della corrente elettrica può dirti quali pezzi di carica la compongono. Quei pezzi sono normalmente quasiparticelle simili agli elettroni di Landau. In effetti, registrare il rumore dello sparo in un metallo normale è un modo comune per misurare la carica fondamentale dell’elettrone: 1.6 × 10^-19 coulomb.

Per arrivare al cuore della corrente di uno strano metallo, il team ha voluto misurare il rumore dello sparo. Ma il rumore dello sparo elettronico può essere oscurato se gli elettroni vengono spinti dalle increspature nel reticolo atomico di un metallo. Per evitare questa confusione, i ricercatori inviano corrente attraverso fili così corti che le increspature non hanno il tempo di influenzare gli elettroni. Questi fili devono essere in scala nanoscopica.

Il gruppo ha scelto di lavorare con uno strano metallo particolare fatto di itterbio, rodio e silicio perché Natelson e il collaboratore di lunga data di Si, Silke Bühler-Paschen del Politecnico di Vienna, aveva scoperto come far crescere il materiale in pellicole spesse solo decine di nanometri. Ciò si è occupato di una dimensione spaziale.

È poi toccato a Chen capire come prendere quelle pellicole e ritagliare un filo che misurasse solo nanometri in lunghezza e larghezza.

Nel corso di circa un anno, Chen ha testato diversi modi per ridurre il metallo sabbiandolo efficacemente con gli atomi. Ma prova dopo prova, ha scoperto che i nanofili risultanti subivano danni su scala atomica che distruggevano la caratteristica resistenza lineare dello strano metallo. Dopo dozzine di tentativi, è approdato a un processo che ha funzionato: ha placcato il metallo con cromo, ha utilizzato un flusso di gas argon per spazzare via tutto tranne una sottile linea dello strano metallo protetto dal cromo, quindi ha rimosso il cromo con un bagno. di acido cloridrico.

Alla fine, Chen, che ha conseguito con successo il dottorato in primavera e da allora ha iniziato a lavorare nel settore finanziario, ha realizzato una manciata di nanofili quasi impeccabili. Ciascuno era lungo circa 600 nanometri e largo 200 nanometri, circa 50 volte più stretto di un globulo rosso.

Dopo averli raffreddati a temperature gelide, a una cifra Kelvin, i ricercatori hanno fatto passare la corrente elettrica attraverso gli strani nanofili metallici. Hanno anche fatto passare la corrente attraverso nanofili fatti di oro normale. La corrente nel filo d'oro crepitava nel modo familiare delle correnti formate da quasiparticelle cariche, come grosse gocce di pioggia che schizzano sul tetto dell'auto. Ma nello strano metallo, la corrente scivolava silenziosamente attraverso il nanofilo, un effetto simile al sibilo quasi silenzioso della nebbia. L'interpretazione più semplice dell'esperimento è che la carica in questo strano metallo non scorre in blocchi delle dimensioni di un elettrone.

"I dati sperimentali forniscono una prova evidente del fatto che le quasiparticelle si perdono nello strano metallo", ha detto Si.

Non tutti i fisici, però, sono pienamente convinti che l'esperimento uccida le quasiparticelle di Landau. "È un'affermazione molto audace", ha detto Brad Ramshaw, un fisico della Cornell University. "Quindi hai bisogno di dati coraggiosi."

Una limitazione dell'esperimento è che il gruppo ha testato un solo materiale. Solo perché il rumore dello sparo è basso nella miscela di itterbio, rodio e silicio di Chen, ciò non garantisce che sia basso anche in altri strani metalli. E un’anomalia una tantum può sempre essere attribuita a qualche dettaglio poco compreso di quel materiale.

Ramshaw ha anche sottolineato che i metalli suonano con ogni sorta di suono strane vibrazioni ciò potrebbe distorcere il rumore dello sparo nella corrente. Chen e i suoi colleghi hanno escluso interferenze derivanti dalle vibrazioni più comuni, ma è possibile che qualche increspatura esotica sia sfuggita alla loro attenzione.

Tuttavia, Ramshaw trova l'esperimento avvincente. "È fortemente motivante per le persone provare a fare altre cose per vedere se sono coerenti anche con l'assenza di elettroni", ha detto.

Se non gli elettroni, allora cosa?

Se il quadro delle quasiparticelle continuasse a sgretolarsi, cosa potrebbe sostituirlo? Come si muove la corrente attorno a strani metalli se non in particelle di carica simili a elettroni? Non è una situazione facile da descrivere, tanto meno da tradurre in termini matematici precisi. "Qual è il vocabolario giusto da usare", ha detto Natelson, "se non parli di quasiparticelle?"

Quando vengono incalzati, i fisici rispondono a questa domanda con un fremito di metafore su ciò che appare quando i singoli elettroni scompaiono: si fondono in una zuppa quantistica intricata; si solidificano in una gelatina; formano un pasticcio schiumoso di carica che scorre qua e là. Filippo Filippo di Urbana-Champaign paragona gli elettroni di uno strano metallo alla gomma di un pneumatico. Quando la gomma esce da un albero, le sue molecole si allineano in stringhe individuali. Ma durante il processo di vulcanizzazione, questi fili si trasformano in una rete robusta. Dall’insieme degli individui emerge una nuova sostanza. "Stai ottenendo qualcosa che è più grande della somma delle sue parti", ha detto. “Gli elettroni stessi non hanno integrità”.

Per andare oltre le vaghe descrizioni dell’emergenza, i fisici hanno bisogno di una descrizione matematica precisa: una teoria del fluido di Fermi non ancora scoperta per i metalli strani. Sachdev ha contribuito a sviluppare un candidato semplicistico, il modello SYK, all’inizio degli anni ’1990. La resistenza lineare era corretta, ma non aveva nulla a che fare con materiali reali costituiti da una vera griglia di atomi. Per prima cosa, non aveva spazio; tutti gli elettroni si trovano in un unico punto dove interagiscono casualmente e si intrecciano con tutti gli altri elettroni.

Negli ultimi due anni, Sachdev, Aavishkar Patel del Flatiron Institute e i loro collaboratori hanno lavorato portando spazio nel modello SYK. Diffondono le interazioni degli elettroni nello spazio considerando gli effetti dei difetti nel reticolo atomico: punti in cui gli atomi sono scomparsi o sono comparsi atomi aggiuntivi. Questa spolverata di imperfezioni atomiche provoca variazioni casuali nel modo in cui le coppie di elettroni interagiscono e si intrecciano. Il risultante arazzo di elettroni intrecciati ha una resistenza che aumenta linearmente, il segno distintivo di uno strano metallo. Recentemente hanno utilizzato il loro framework per calcolare il rumore dello sparo anche. I numeri non corrispondono del tutto alle osservazioni di Chen, ma formano lo stesso modello qualitativo. “Tutte le tendenze sono giuste”, ha detto Sachdev.

Altri ricercatori sottolineano che la situazione teorica rimane fluida: ad alcuni non è chiaro se materiali distinti l'uno dall'altro come fogli di grafene e superconduttori cuprato possano tutti condividere una serie di difetti sufficientemente simili da produrre le proprietà condivise dei metalli strani nel modo richiesto dalla teoria di Sachdev e Patel. E le teorie alternative abbondano. Phillips, ad esempio, sospetta che siano necessari metalli strani una forma emergente di elettromagnetismo che non si basa sugli elettroni interi. Si e Bühler-Paschen, nel frattempo, hanno trascorso quasi 20 anni sviluppando ed esplorando a teoria su come le quasiparticelle si dissolvono quando un sistema si trova in un “punto critico quantistico”, dove due diversi stati della meccanica quantistica lottano per il sopravvento. Nell'esperimento del rumore di sparo, hanno portato i loro nanofili proprio a un punto così critico.

Anche se i fisici non sono ancora d'accordo sul perché le cariche elettriche sembrano dissolversi all'interno di strani metalli, o anche se si dissolvono davvero, sono determinati a scoprirlo.

"Se davvero pensiamo che esista un'intera categoria di metalli che non comprendiamo", ha detto Natelson, "è importante capirli".

Nota dell'editore: il Flatiron Institute è finanziato dalla Simons Foundation, che finanzia anche questa rivista editorialmente indipendente. Né il Flatiron Institute né la Simons Foundation hanno alcuna influenza sulla nostra copertura. Maggiori informazioni disponibili qui.

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