Mesmo para os padrões dos físicos quânticos, metais estranhos são simplesmente estranhos. Os materiais estão relacionados a supercondutores de alta temperatura e têm ligações surpreendentes com as propriedades dos buracos negros. Elétrons em metais estranhos dissipam energia tão rápido quanto são permitidos pelas leis da mecânica quântica, e a resistividade elétrica de um metal estranho, ao contrário dos metais comuns, é proporcional à temperatura.

Gerar uma compreensão teórica de metais estranhos é um dos maiores desafios da física da matéria condensada. Agora, usando técnicas computacionais de ponta, pesquisadores do Flatiron Institute na cidade de Nova York e da Cornell University resolveram o primeiro modelo teórico robusto de metais estranhos. O trabalho revela que metais estranhos são um novo estado da matéria, os pesquisadores relatam 22 de julho no Anais da Academia Nacional de Ciências .

"O fato de chamá-los de metais estranhos deve mostrar o quão bem os entendemos, "diz o co-autor do estudo Olivier Parcollet, um cientista pesquisador sênior do Centro de Física Quântica Computacional (CCQ) do Flatiron Institute. "Metais estranhos compartilham propriedades notáveis ​​com os buracos negros, abrindo novas e emocionantes direções para a física teórica. "

Além do Parcollet, a equipe de pesquisa consistia no aluno de doutorado de Cornell, Peter Cha, Nils Wentzell, cientista de dados associado ao CCQ, Diretor do CCQ, Antoine Georges, e a professora de física Cornell, Eun-Ah Kim.

No mundo da mecânica quântica, a resistência elétrica é um subproduto dos elétrons que batem nas coisas. À medida que os elétrons fluem através de um metal, eles refletem outros elétrons ou impurezas no metal. Quanto mais tempo há entre essas colisões, menor é a resistência elétrica do material.

Para metais típicos, a resistência elétrica aumenta com a temperatura, seguindo uma equação complexa. Mas em casos incomuns, como quando um supercondutor de alta temperatura é aquecido logo acima do ponto onde ele para de superconduzir, a equação se torna muito mais direta. Em um metal estranho, a condutividade elétrica está ligada diretamente à temperatura e a duas constantes fundamentais do universo:a constante de Planck e a constante de Boltzmann. Consequentemente, metais estranhos também são conhecidos como metais de Planck.

Modelos de metais estranhos existem há décadas, mas resolver esses modelos com precisão ficou fora do alcance com os métodos existentes. Os emaranhamentos quânticos entre os elétrons significam que os físicos não podem tratar os elétrons individualmente, e o grande número de partículas em um material torna os cálculos ainda mais desanimadores.

Cha e seus colegas empregaram dois métodos diferentes para solucionar o problema. Primeiro, eles usaram um método de incorporação quântica baseado em ideias desenvolvidas por Georges no início dos anos 90. Com este método, em vez de realizar cálculos detalhados em todo o sistema quântico, os físicos realizam cálculos detalhados em apenas alguns átomos e tratam o resto do sistema de forma mais simples. Eles então usaram um algoritmo de Monte Carlo quântico (nomeado para o casino do Mediterrâneo), que usa amostragem aleatória para calcular a resposta a um problema. Os pesquisadores resolveram o modelo de metais estranhos até zero absoluto (menos 273,15 graus Celsius), o limite inferior inalcançável para as temperaturas no universo.

O modelo teórico resultante revela a existência de metais estranhos como um novo estado da matéria que faz fronteira com duas fases previamente conhecidas da matéria:vidros de spin isolantes de Mott e líquidos de Fermi. "Descobrimos que há uma região inteira no espaço de fase que exibe um comportamento de Planck que não pertence a nenhuma das duas fases entre as quais estamos fazendo a transição, "Kim diz." Este estado líquido de spin quântico não é tão bloqueado, mas também não é totalmente gratuito. É um lento, como uma sopa, estado lamacento. É metálico, mas relutantemente metálico, e está levando o grau de caos ao limite da mecânica quântica. "

O novo trabalho pode ajudar os físicos a entender melhor a física dos supercondutores de alta temperatura. Talvez surpreendentemente, o trabalho tem links para astrofísica. Como metais estranhos, buracos negros exibem propriedades que dependem apenas da temperatura e das constantes de Planck e Boltzmann, como a quantidade de tempo que um buraco negro 'toca' após se fundir com outro buraco negro. "O fato de você encontrar essa mesma escala em todos esses sistemas diferentes, de metais de Planck a buracos negros, é fascinante, "Parcollet diz.