Materiali quantistici: misurato per la prima volta l’avvolgimento degli elettroni

I Kagome sono materiali quantistici che stanno rivoluzionando la fisica quantistica per le loro proprietà magnetiche, topologiche e superconduttive.

La misura è avvenuta sui “materiali kagome”, nuovi materiali quantistici che stanno rivoluzionando la fisica quantistica per le loro proprietà magnetiche, topologiche e superconduttive. I risultati ottenuti potrebbero favorire nuove applicazioni in svariati campi tecnologici, dalle energie rinnovabili alla biomedicina, dall’elettronica ai computer quantistici.


Un gruppo internazionale di ricerca è riuscito per la prima volta a misurare l’avvolgimento degli elettroni nella materia – ovvero la curvatura dello spazio in cui vivono e si muovono gli elettroni – all’interno dei “materiali kagome”, una nuova classe di materiali quantistici. I risultati ottenuti – pubblicati in questo articolo su Nature Physics – potrebbero rivoluzionare il modo in cui i materiali quantistici verranno studiati in futuro, aprendo così le porte a nuovi sviluppi nelle tecnologie quantistiche, con applicazioni possibili in svariati campi tecnologici, dalle energie rinnovabili alla biomedicina, dall’elettronica ai computer quantistici.

Spettroscopia degli stati superficiali e della banda piatta.

Collaborazione internazionale di scienziati

A riuscire nell‘impresa è stata una collaborazione internazionale di scienziati, a cui per l’Università di Bologna ha partecipato Domenico Di Sante, docente del Dipartimento di Fisica e Astronomia “Augusto Righi”, nell’ambito del suo progetto di ricerca Marie Skłodowska-Curie BITMAP. A lui si sono affiancati colleghi del CNR-IOM di Trieste, dell’Università Ca’ Foscari di Venezia, dell’Università degli Studi di Milano, dell’Università di Würzburg (Germania), dell’Università di St. Andrews (UK), del Boston College e dell’Università di Santa Barbara (USA).

Misurato per la prima volta l’avvolgimento degli elettroni

Grazie a tecniche sperimentali avanzate, che utilizzano la luce generata da un acceleratore di particelle, il Sincrotrone, e grazie a moderne tecniche di modellizzazione del comportamento della materia, gli studiosi sono riusciti a misurare per la prima volta l’avvolgimento degli elettroni, relativo al concetto di topologia.

Texture di spin degli stati superficiali topologici.

“Se prendiamo due oggetti come una palla da calcio e una ciambella, notiamo che le loro forme specifiche determinano proprietà topologiche differenti, ad esempio perché la ciambella possiede un buco, mentre il pallone da calcio no”, spiega Domenico Di Sante. “Allo stesso modo il comportamento degli elettroni nei materiali è influenzato da certe proprietà quantistiche che ne determinano l’avvolgimento nella materia in cui si trovano, in maniera simile a come la traiettoria della luce nell’universo viene modificata dalla presenza di stelle, buchi neri, materia ed energia oscura, che piegano il tempo e lo spazio”.

Il dicroismo circolare

Nonostante questa particolare caratteristica degli elettroni sia nota già da molti anni, nessuno era stato finora in grado di misurare direttamente questo “avvolgimento topologico”. Per riuscirci, i ricercatori hanno sfruttato un particolare effetto conosciuto come “dicroismo circolare“: una particolare tecnica sperimentale utilizzabile solo con una sorgente di Sincrotrone, che sfrutta la capacità dei materiali di assorbire la luce in modo diverso in funzione della loro polarizzazione.

Topologia della regione a banda piatta

I materiali quantistici kagome

Gli studiosi si sono concentrati in particolare sui “materiali kagome“, una particolare classe di materiali quantistici che deve il loro nome alla somiglianza con la trama di fili di bamboo intrecciati che compongono un tradizionale cesto giapponese (chiamato, appunto, “kagome”). Questi materiali stanno rivoluzionando la fisica quantistica, e i risultati ottenuti potrebbero aiutarci a conoscere meglio le loro particolari proprietà magnetiche, topologiche e superconduttive.

“Questi importanti risultati sono stati possibili grazie a una forte sinergia tra la pratica sperimentale e l’analisi teorica“, aggiunge Di Sante. “I ricercatori teorici del team hanno infatti impiegato sofisticate simulazioni quantistiche, possibili solo grazie all’utilizzo di potenti supercalcolatori, e hanno in questo modo guidato i colleghi sperimentali verso la specifica zona del materiale nella quale era possibile misurare l’effetto legato al dicroismo circolare“.

Lo studio è stato pubblicato su Nature Physics con il titolo “Flat band separation and robust spin Berry curvature in bilayer kagome metals”. Primo autore dello studio è Domenico Di Sante, ricercatore al Dipartimento di Fisica e Astronomia “Augusto Righi” dell’Università di Bologna. Hanno partecipato inoltre studiosi del CNR-IOM di Trieste, dell’Università Ca’ Foscari di Venezia, dell’Università degli Studi di Milano, dell’Università di Würzburg (Germania), dell’Università di St. Andrews (UK), del Boston College e dell’Università di Santa Barbara (USA).

Additive manufacturing

Una parete di ceramica per raffrescare le città senza spreco di energia

Con estati sempre più calde e ondate di calore più frequenti, il raffrescamento degli edifici e degli spazi urbani richiede soluzioni meno energivore dei tradizionali sistemi di climatizzazione. In questa direzione si inserisce il lavoro dei ricercatori della Graz University

Metodologie di progettazione

Risorse tecniche e fornitori: il vero collo di bottiglia dei progetti waterfall

Nei progetti gestiti con approccio waterfall la schedulazione è solida solo se lo sono le risorse che la sostengono: progettisti, macchinari, materiali e fornitori. ecco come pianificarli, bilanciarne i carichi e controllarli per evitare che una risorsa sovrallocata o un

Approfondimenti

Verso una governance più solida e strutturata del PDM

Attraverso metodo, regole condivise e indicatori di performance, le aziende possono trasformare il dato tecnico in una risorsa strategica, capace di migliorare la continuità operativa, ridurre le inefficienze e abilitare processi decisionali più rapidi e affidabili. Approfondiamo questo tema con

Design thinking

L’uomo al centro: progettare per la complessità

Progettare per la vera complessità richiede di abbandonare l’estetica di superficie per tornare a verità umane fondamentali: un prodotto digitale non vive nel vuoto, ma interagisce con il sistema nervoso dell’utente, con la sua diversità funzionale e con l’ecosistema fisico