La fisica dei sistemi elettronici fortemente correlati
Le forti correlazioni tra gli elettroni sono alla base di eccezionali proprietà fisiche quali la superconduttività non convenzionale e nuove fasi quantiche dovute a un forte accoppiamento spin-orbita. Molti di questi fenomeni si osservano in composti e leghe di iridio, praseodimio e uranio. Essi vengono descritti come instabilità della configurazione elettronica nello stato fondamentale. Tuttavia, la fisica di questi materiali è talmente ricca e complessa da non poter essere compresa nell’ambito delle teorie convenzionali per metalli e isolanti. All’interno del progetto COEL (Numerical study of dynamics and magnetic properties of strongly correlated electron systems), i fisici si sono spinti oltre le descrizioni convenzionali degli stati elettronici correlati per comprendere le loro insolite proprietà. Il team di COEL ha applicato un metodo quantum Monte Carlo al modello del livello di risonanza interagente, uno dei banchi di prova standard per questi studi, per calcolare quantità fisiche come ad esempio la resistività elettrica a temperature finite. Sulla base di questi calcoli, è stato proposto un nuovo scenario con forti fluttuazioni di carica per spiegare insoliti stati di quasiparticella nei composti di samario. Per la formazione di insoliti stati di fermione pesante in composti di uranio, gli scienziati di COEL necessitavano di un punto di partenza al di là del comune effetto Kondo. Essi hanno scoperto che l’inclusione di un potenziale termine di dispersione oltre a un’interazione di scambio ferromagnetica di spin localizzato ed elettroni di conduzione portava a una riduzione della resistività con temperatura in diminuzione. Nel corso del progetto, gli scienziati hanno anche studiato il rilassamento dello spin indotto dall’accoppiamento spin-orbita in metalli e semiconduttori. I due meccanismi più importanti, ovvero i cosiddetti meccanismi Elliott-Yafet e D’yahkonov-Perel, sono stati unificati per mezzo di un modello pseudopotenziale sviluppato per semiconduttori con struttura cristallina tipo blenda di zinco. Infine, è stata formulata una teoria per consentire la determinazione dell’accoppiamento iperfine elettrone-nucleo basandosi sui dati sperimentali. Questo accoppiamento iperfine è dovuto all’interazione magnetica del nucleo con elettroni attraverso meccanismi come ad esempio il contatto di Fermi e la polarizzazione del nucleo. Esso gioca un ruolo fondamentale nel trasporto di spin sfruttato nella spintronica. Dei progressi nella comprensione dei sistemi elettronici fortemente correlati mediante efficienti tecniche di simulazione Monte Carlo combinate con la fisica dei sistemi a molti corpi avranno un impatto che va oltre l’elettronica moderna. Le scoperte del progetto COEL possono essere sfruttate mediante l’ingegneria per migliorare le prestazioni di celle solari, batterie e celle a combustibile che richiedono la comprensione dell’elettrochimica a livello atomico.
Parole chiave
Sistemi elettronici fortemente correlati, superconduttività non convenzionale, quantum Monte Carlo, spintronica
