Incluso para los estándares de los físicos cuánticos, los metales extraños son simplemente extraños. Los materiales están relacionados con superconductores de alta temperatura y tienen conexiones sorprendentes con las propiedades de los agujeros negros. Los electrones en metales extraños disipan energía tan rápido como se les permite según las leyes de la mecánica cuántica, y la resistividad eléctrica de un metal extraño, a diferencia de los metales ordinarios, es proporcional a la temperatura.

Generar una comprensión teórica de los metales extraños es uno de los mayores desafíos en la física de la materia condensada. Ahora, utilizando técnicas computacionales de vanguardia, Investigadores del Instituto Flatiron en la ciudad de Nueva York y la Universidad de Cornell han resuelto el primer modelo teórico robusto de metales extraños. El trabajo revela que los metales extraños son un nuevo estado de la materia, los investigadores informan el 22 de julio en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias .

"El hecho de que los llamemos metales extraños debería decirle lo bien que los entendemos, "dice el coautor del estudio Olivier Parcollet, un científico investigador senior en el Centro de Física Cuántica Computacional (CCQ) del Instituto Flatiron. "Los metales extraños comparten propiedades notables con los agujeros negros, abriendo nuevas y emocionantes direcciones para la física teórica ".

Además de Parcollet, el equipo de investigación estuvo formado por el estudiante de doctorado de Cornell, Peter Cha, El científico de datos asociado de CCQ Nils Wentzell, Antoine Georges, director de CCQ, y la profesora de física de Cornell, Eun-Ah Kim.

En el mundo de la mecánica cuántica, La resistencia eléctrica es un subproducto de los electrones que chocan contra las cosas. Como los electrones fluyen a través de un metal, rebotan en otros electrones o impurezas en el metal. Cuanto más tiempo haya entre estas colisiones, menor es la resistencia eléctrica del material.

Para metales típicos, la resistencia eléctrica aumenta con la temperatura, siguiendo una ecuación compleja. Pero en casos inusuales, como cuando un superconductor de alta temperatura se calienta justo por encima del punto donde deja de ser superconductor, la ecuación se vuelve mucho más sencilla. En un extraño metal La conductividad eléctrica está relacionada directamente con la temperatura y con dos constantes fundamentales del universo:la constante de Planck y la constante de Boltzmann. Como consecuencia, Los metales extraños también se conocen como metales de Planck.

Los modelos de metales extraños han existido durante décadas, pero la resolución precisa de tales modelos resultó fuera del alcance de los métodos existentes. Los entrelazamientos cuánticos entre electrones significan que los físicos no pueden tratar los electrones individualmente, y la gran cantidad de partículas en un material hace que los cálculos sean aún más abrumadores.

Cha y sus colegas emplearon dos métodos diferentes para resolver el problema. Primero, utilizaron un método de incrustación cuántica basado en ideas desarrolladas por Georges a principios de los años noventa. Con este método, en lugar de realizar cálculos detallados en todo el sistema cuántico, los físicos realizan cálculos detallados en solo unos pocos átomos y tratan el resto del sistema de manera más simple. Luego utilizaron un algoritmo cuántico de Monte Carlo (llamado así por el casino mediterráneo), que utiliza muestreo aleatorio para calcular la respuesta a un problema. Los investigadores resolvieron el modelo de metales extraños hasta el cero absoluto (menos 273,15 grados Celsius), el límite inferior inalcanzable para las temperaturas en el universo.

El modelo teórico resultante revela la existencia de metales extraños como un nuevo estado de la materia que bordea dos fases de la materia previamente conocidas:los vidrios giratorios aislantes Mott y los líquidos Fermi. "Descubrimos que hay una región completa en el espacio de fases que exhibe un comportamiento Planckiano que no pertenece a ninguna de las dos fases entre las que estamos haciendo la transición, ", Dice Kim." Este estado líquido de espín cuántico no está tan bloqueado, pero tampoco es completamente gratis. Es un lento espeso, estado fangoso. Es metálico pero a regañadientes metálico, y está llevando el grado de caos al límite de la mecánica cuántica ".

El nuevo trabajo podría ayudar a los físicos a comprender mejor la física de los superconductores de alta temperatura. Quizás sorprendentemente, la obra tiene vínculos con la astrofísica. Como metales extraños, Los agujeros negros exhiben propiedades que dependen solo de la temperatura y las constantes de Planck y Boltzmann, como la cantidad de tiempo que un agujero negro "suena" después de fusionarse con otro agujero negro. "El hecho de que encuentre esta misma escala en todos estos sistemas diferentes, desde los metales Planckianos hasta los agujeros negros, es fascinante, "Dice Parcollet.