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Dynamically controlling the properties of complex materials with light

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Una nuova ricerca mostra che i fononi sono essenziali nelle interazioni quantistiche

Comprendere perché possono influenzarsi a vicenda due particelle correlate (o entangled), che si trovano a chilometri di distanza l’una dall’altra, è uno dei maggiori interrogativi della fisica odierna. Secondo il progetto DCCM, finanziato dall’UE, i fononi, o vibrazioni quantistiche di un cristallo, giocano un ruolo più importante nella fisica dei materiali correlati di quanto non si pensasse finora.

Ricerca di base

I ricercatori di DCCM hanno scoperto che i fononi dominano la maggior parte delle interazioni correlate dei materiali, a differenza dell’opinione più diffusa nella letteratura scientifica che siano le interazioni elettrone-elettrone il fattore che incide maggiormente. Se gli scienziati riusciranno a sfruttare le straordinarie proprietà di questi materiali quantistici, ciò potrebbe portare a un nuovo filone tecnologico e innovativo. Utilizzando la luce, il team del progetto ha studiato le proprietà dei materiali e mostrato che le transizioni indotte dalla luce dallo stato isolante a quello metallico erano causate dalla luce che influenza le vibrazioni dei cristalli e che, in effetti, non erano dovute a un cambiamento nelle interazioni elettrone-elettrone. “Questi risultati sono importanti perché sfidano la maggior parte dei modelli che attualmente descrivono questi materiali,” dice il coordinatore del progetto, il prof. Simon Wall dell’Istituto di scienze fotoniche (ICFO) in Spagna. “Essi indicano che esiste un ‘ingrediente mancante’ che potrebbe aiutarci a compiere una svolta nella nostra comprensione.” Nuovi sviluppi tecnologici Le scoperto potrebbero eventualmente portare a nuove innovazioni tecnologiche. I materiali correlati offrono molte potenzialità grazie alle loro proprietà straordinarie, come la superconduttività ad alta temperatura e la capacità di passare dallo stato isolante a quello metallico a temperature elevate. Ma senza sapere come esattamente questi materiali mostrano questi fenomeni, è difficile incorporarli in nuovi dispositivi e sistemi. Un’altra questione emerge dal fatto che gli scienziati devono separare i materiali per studiarli più a fondo, ma poiché le interazioni elettroniche e dello spin competono su una scala energetica simile, questo non è affatto semplice. È inoltre necessaria una conoscenza approfondita dei materiali quantistici a livello di nanoscala, prima che essi possano essere incorporati efficacemente nelle nuove tecnologie, dal momento che la forte competizione tra le interazioni degli elettroni e del magnetismo su questa scala può causare profondi cambiamenti. Un altro risultato del progetto è stato lo sviluppo di una nuova tecnologia di imaging che permette agli scienziati di visualizzare per la prima volta una serie di fenomeni nei materiali quantistici, e ciò potrebbe permettere ai ricercatori di esplorare ulteriormente le proprietà su nanoscala di tali materiali. Il tipo di dispositivi che potrebbero potenzialmente essere sviluppati includono superconduttori ad alta temperatura che potrebbero sostituire i magneti costosi nelle macchine RMI o negli acceleratori di particelle, i quali attualmente per funzionare correttamente richiedono entrambi un raffreddamento a temperature estremamente basse. Le funzionalità magnetiche ed elettroniche dei materiali quantistici potrebbero anche essere utilizzati nella nuova memoria ad elevata velocità non volatile. L’anarmonicità del reticolo e le origini della superconduttività ad alta temperatura Il passo successivo per i ricercatori di DCCM prevede l’ulteriore approfondimento del ruolo dei fononi nella superconduttività ad alta temperatura. Essi parteciperanno al progetto SEESUPER, finanziato dal Consiglio europeo della ricerca (CER), che si propone di studiare se l’anarmonicità del reticolo può spiegare le origini della superconduttività ad alta temperatura. L’anarmonicità del reticolo consente l’accoppiamento dei fononi, i quali normalmente sarebbero indipendenti. Tale accoppiamento può a sua volta modificare il modo in cui gli elettroni interagiscono con il reticolo e potrebbe essere un fattore che favorisce la superconduttività. L’obiettivo sarà quello di applicare le tecniche sviluppate nell’ambito di DCCM per studiare come le anomalie su nanoscala e la separazione di fase modificano l’anarmonicità, e se questo può spiegare le origini della superconduttività ad alta temperatura.

Parole chiave

DCCM, materiali correlati, quantistico, luce, fisica

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