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

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 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.

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).

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.

"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".

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.

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.

Tre prospettive della superficie sulla quale gli elettroni si muovono. A sinistra, il risultato sperimentale, al centro e destra la modellizzazione teorica. I colori rosso e blu rappresentano una misura della velocità degli elettroni. Sia teoria che esperimento riflettono la simmetria del cristallo, molto simile alla trama dei tradizionali cesti giapponesi "kagome"

"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).