Un passo avanti nella comprensione delle proprietà dei materiali quantistici

Un passo decisivo nella comprensione dei principi fondamentali che governano le proprietà emergenti dei materiali quantistici. A realizzarlo è un gruppo di ricerca guidato da studiosi delle università di Bologna e di Padova che ha fatto luce sulla "nematicità elettronica": una forma di auto-organizzazione degli elettroni, i quali pur muovendosi all’interno di un reticolo cristallino altamente simmetrico, rompono spontaneamente la simmetria di rotazione del sistema, scegliendo una direzione privilegiata.

Pubblicato su Nature Communications, lo studio fornisce una base solida per interpretare fenomeni come la superconduttività e apre quindi nuovi scenari per la progettazione di materiali quantistici con proprietà controllabili.

"La nematicità è da tempo considerata un ingrediente essenziale per descrivere le proprietà dei materiali quantistici, ma mancava una dimostrazione sperimentale chiara della sua origine fondamentale", spiegano i coordinatori dello studio Federico Mazzola, del Dipartimento di Fisica e Astronomia "Galileo Galilei" dell'Università di Padova, e Domenico Di Sante, del Dipartimento di Fisica e Astronomia "Augusto Righi" dell'Università di Bologna. "In questo lavoro mostriamo che il meccanismo è intrinseco ed elettronico e forniamo la prima evidenza sperimentale di un’instabilità di Pomeranchuk in un materiale kagome reale".

I cosiddetti "materiali kagome" sono una classe emergente di materiali quantistici in cui la particolare geometria del reticolo elettronico, ispirata alla trama intrecciata dei tradizionali cesti giapponesi (chiamata, appunto, "kagome"), favorisce lo sviluppo di comportamenti collettivi degli elettroni. In questi sistemi, gli elettroni non si muovono in modo indipendente, ma tendono ad organizzarsi dando origine a proprietà inattese.

Uno di questi fenomeni inattesi è la "nematicità elettronica", che vede gli elettroni perdere parte della loro simmetria pur restando ordinati e senza creare deformazioni visibili della struttura atomica. Partendo da un metallo kagome a base di titanio (il composto CsTi3Bi5), gli studiosi sono ora riusciti a chiarire l'origine microscopica di questo comportamento. L'indagine ha dimostrato infatti per la prima volta che la nematicità elettronica è il risultato di un’instabilità elettronica intrinseca.

In particolare, il lavoro identifica una cosiddetta "instabilità di Pomeranchuk": un meccanismo teorico proposto oltre sessant’anni fa, in cui le interazioni tra elettroni portano a una riorganizzazione selettiva degli orbitali elettronici. Questa riorganizzazione deforma la struttura elettronica del materiale e ne riduce la simmetria, pur lasciando invariata la disposizione degli atomi: una soluzione che offre una spiegazione microscopica diretta della nematicità osservata.

I materiali kagome sono una piattaforma privilegiata per esplorare nuove fasi della materia quantistica, e comprendere l’origine microscopica della nematicità ci permette di avere basi solide per interpretare fenomeni ancora più complessi, inclusa la superconduttività.