Superconduttori - Campus
annuncio pubblicitario
Dossier OggiScienza Superconduttori SUPERCONDUTTORI Il dossier è articolato nelle seguenti sezioni: Articoli Glossario Competenze Collegamenti interdisciplinari Ulteriori risorse online Dossier OggiScienza Superconduttori Articoli Articolo di Veronica Nicosia, pubblicato su OggiScienza Strani fenomeni nella materia esotica: il Nobel a superconduttività e superfuidi Segui il link per leggere l’articolo direttamente sul sito di OggiScienza https://oggiscienza.it/2016/10/05/nobel-fisica-superconduttivita-topologia/ APPROFONDIMENTO – Nella materia accadono cose strane. O meglio, esistono stati inusuali che conferiscono alla materia allo stato quantistico particolari proprietà, che hanno applicazioni importantissime sia a livello di ricerca di base, sia per lo sviluppo delle tecnologie del futuro. Applicazioni che arrivano grazie alle geniali intuizioni di tre scienziati britannici che il 4 ottobre sono stati insigniti del premio Nobel 2016 per la fisica. Un annuncio che ha lasciato senza parole i presenti e non solo, dato che in molti si aspettavano che il premio andasse alla scoperta delle onde gravitazionali. Per chi è rimasto deluso, e per chi magari non ha capito cosa è accaduto, ecco la spiegazione: i candidati al premio Nobel vengono scelti entro il 31 gennaio e l’annuncio di Ligo e Virgo è 2 Dossier OggiScienza Superconduttori arrivato l’11 febbraio, cioè fuori tempo massimo. Motivo per cui per il prossimo anno ci potrebbero essere buone probabilità per le onde gravitazionali, a meno di nuove sorprese. La commissione del premio, le cui celebrazioni come ogni anno si sono tenute a Stoccolma, motiva la vittoria di David J. Thouless, F. Duncan M. Haldane e Michael Kosterlitz per “le scoperte teoriche delle transizioni topologiche di fase e delle fasi topologiche della materia”. Una motivazione non facile da intuire per chi non “mastica” la materia, ma che rivela tutta l’importanza di questo premio. Gli studi dei tre scienziati infatti hanno completamente rivoluzionato il nostro modo di vedere la materia da un punto di vista quantistico e sono stati pionieri per la comprensione e l’utilizzo della superconduttività e dei superfluidi, aprendo negli anni Settanta le strade ai computer quantistici e alla tecnologia del futuro, che ora è quasi un presente. Chi sono i tre scienziati britannici vincitori del premio Nobel? David Thouless ha 82 anni ed è professore emerito della Washington University a Seattle. Nato nel 1934 a Barsden, in Scozia, ha ottenuto il dottorato alla Cornell University di Ithaca, negli Stati Uniti. Ha insegnato fisica matematica alla Birmingham University, nel Regno Unito, e poi alla Washington University dal 1980. Frederick Duncan Michael Haldane ha 65 anni e insegna fisica alla Princeton University. Nato nel 1951 a Londra, ha ottenuto un dottorato alla Cambridge University prima di trasferirsi negli Stati Uniti e diventare professore a Princeton. John Michael Kosterlitz ha 74 anni ed è docente di fisica alla Brown University di Providence. Nato nel 1942 ad Aberdeen, in Scozia, ha studiato alla Oxford University e insegnato alla Birmingham University, per poi arrivare negli Stati Uniti come gli altri colleghi. Gli stati strani e bizzarri della materia: perché la topologia? La materia può assumere stati che possiamo definire “strani” e in cui si possono verificare fenomeni come la superconduzione, quando la corrente elettrica passa all’interno di un materiale senza incontrare alcuna resistenza e dunque senza dissipare 3 Dossier OggiScienza Superconduttori calore. Ci sono poi fenomeni come la superfluidità, quando sono invece i fluidi a non trovare resistenza alcuna nel loro scorrimento. Comprendere come la materia possa assumere queste caratteristiche non è semplice, ma tra gli anni Settanta e gli anni Ottanta i tre scienziati sono riusciti a scoprire che esiste un modo di descrivere, in termini matematici, questi stati esotici della materia. La risposta trovata da Thouless, Haldane e Kosterlitz ai loro problemi è stata la topologia. Si tratta di una branca della matematica che studia le proprietà di quelle figure geometriche che non cambiano quando vengono deformate in modo continuo, cioè senza subire strappi, sovrapposizioni o incollature. Una deformazione dunque che non altera le proprietà che la materia ha e continua a mantenere. L’esempio migliore per spiegare la topologia? Sicuramente quello scelto dai presentatori del premio Nobel, che da un bel sacchetto hanno estratto un panino, una ciambella e un bagel. Oggetti che vengono deformati, attraverso un allungamento della loro superficie e la creazione di un buco al suo interno, senza però cambiarne la caratteristica di pane. Le transizioni di fase topologiche La prima scoperta di Thouless e Kosterlitz è stata quella, negli anni Settanta, di smentire la teoria per cui la superconduttività e la superfluidità sono fenomeni che si verificano solo in strati di materiali molto sottili, in un sistema approssimabile quasi a bidimensionale. Gli scienziati hanno dimostrato che questi fenomeni si verificano anche in materiali più grandi, ma in presenza di opportune condizioni, come per esempio una temperatura prossima allo zero assoluto della scala Kelvin, che corrisponde a – 273,15 gradi Celsius. Il motivo? Il raffreddamento del materiale placa l’agitazione termica delle molecole che lo compongono, permettendo così di passare alle sole interazioni quantistiche a – 273,15 gradi Celsius. Raffreddando gradualmente il materiale, l’agitazione termica delle sue molecole si fa sempre più limitata via via che si si avvicina allo zero assoluto, lasciando il posto alle interazioni quantistiche, che dominano anche i fenomeni macroscopici. 4 Dossier OggiScienza Superconduttori Si tratta dei cambiamenti che nella fisica classica sono già noti come transizioni di fase. Un esempio? Quando raffreddiamo l’acqua allo stato liquido fino a farla diventare ghiaccio, cioè facendola transitare a uno stato solido, in cui le molecole di acqua sono completamente ordinate in un reticolo. Alle temperature vicine allo zero assoluto, i materiali mostrano un flusso di corrente che non risente di eventuali resistenze e la formazione di vortici che ruotano su sé stessi, senza dunque produrre artriti e senza perdere velocità. In queste condizioni i materiali prendono il nome di superfluidi. Basandosi sulla topologia i ricercatori sono riusciti a dimostrare l’esistenza di una nuova transizione di fase, detta transizione KT in loro onore, in cui lo spin degli atomi forma configurazioni a vortice. Esiste, come per tutte le transizioni di fase, una temperatura critica: sotto questo valore si formano coppie di vortice e antivortice che sono legate tra loro, mentre al di sopra di questa temperatura i vortici hanno una configurazione libera. Proprio come accade per l’acqua, che è in stato solido sotto gli zero gradi Celsius e in stato liquido sopra. L’effetto Hall quantistico e le transizioni di materia topologiche Cosa accade invece nel caso della conduzione elettrica a basse temperature e in presenza di un intenso campo magnetico esterno? La risposta arriva dallo studio dell’effetto Hall quantistico, in cui la conducibilità elettrica assume valori particolari: al variare del campo magnetico esterno, la conducibilità – che fino ad allora era considerata come un valore continuo – varia a scalini, cioè di valori che sono multipli interi di una unità fondamentale. La topologia, anche in questo caso, è diventata la risposta. Le figure topologiche infatti possono essere classificate in funzione del numero di “buchi” che presentano. Per esempio, una sfera o un cubo hanno zero buchi. Un toro, nome matematico della ciambella, o una tazza da caffè, hanno un buco. Un paio di occhiali ne ha due e un bagel tre. Il numero di buchi è dunque un numero intero. Nell’effetto Hall quantistico si ipotizza che gli elettroni possano muoversi in un modo relativamente libero, che segue dunque la discretizzazione, e che questa libertà permetta di formare un fluido quantistico topologico. 5 Dossier OggiScienza Superconduttori Da questo dipende anche la conducibilità elettrica, che è il parametro macroscopico di questo comportamento microscopico del materiale. Alle ricerche di Kosterliz, arriva poi il contributo alla fine degli anni Ottanta di Haldane, che al modello dell’effetto Hall quantistico aggiunge un pezzo: scopre infatti che i fluidi topologici possono formare superconduttori anche in assenza di campo magnetico esterno. Dalla materia “esotica” ai computer quantistici Il primo risultato dunque è stato la scoperta delle transizioni topologiche di fase, che ha permesso di identificare i fluidi Hall quantistici e le catene atomiche magnetiche che sfruttano le proprietà della superconduttività e dei superfluidi. Da allora le caratteristiche esotiche dei materiali quantistici sono state svelate e oggi si apre un mondo di possibilità a una tecnologia del futuro – o quasi del presente – che allora sembrava impossibile da realizzare. Come per esempio i bit quantistici: unità estremamente stabili che potrebbero portare alla costruzione dei computer quantistici e a tutta una serie di tecnologie che senza il loro contributo non sarebbero state immaginabili. 6 Dossier OggiScienza Superconduttori Articolo di Luisa Alessio, pubblicato su OggiScienza Superconduttività ad alte temperature: il cuprato di lantanio Segui il link per leggere l’articolo direttamente sul sito di OggiScienza https://oggiscienza.it/2016/03/01/superconduttori-materiali-temperatura-cuprato/ RICERCATORI ALL’ESTERO – Creare interfacce non è una cosa banale: la sintesi è difficile, i calcoli sono difficili e prima di imparare a maneggiare un sistema ci vogliono anni. Bisogna quotidianamente innovare le idee e i mezzi tecnici e confrontarsi con problemi il più delle volte sconosciuti. Ho imparato ad avere molta pazienza in questo tipo di ricerca”. Nome: Federico Baiutti Età: 30 anni Nato a: Monfalcone (GO) Vivo a: Stoccarda (Germania) Dottorato in: Chimica (Stoccarda) Ricerca: Effetti di interfaccia per indurre superconduttività in super reticoli Istituto: Max Planck Institute for Solid State Research (Stoccarda) Interessi: mountain bike, basket, correre, sciare, ascoltare musica, suonare la chitarra. Di Stoccarda mi piace: le colline, è molto ordinata, sicura, c’è un elevato senso civico. Di Stoccarda non mi piace: il grigio (architettonico, metereologico e alimentare), i melograni sono molto costosi. Pensiero: Esule […] è un paradosso senza fine (Salman Rushdie, I versi satanici). 7 Dossier OggiScienza Superconduttori Che tipo di materiali utilizzi nella tua ricerca? In generale mi occupo di ossidi funzionali, cioè materiali in grado di svolgere un compito da poter utilizzare in applicazioni sia tecnologiche come il trasporto, l’immagazzinamento (batterie) o la trasformazione di energia (celle a combustibile), sia elettroniche (memorie, transistor). Più nel dettaglio, la mia ricerca si concentra sugli ossidi funzionali superconduttori, cioè materiali che hanno il grosso vantaggio di trasportare corrente senza disperderla. Conoscere i meccanismi alla base del loro funzionamento, la loro fisica e, principalmente, la loro chimica è indispensabile per poter sfruttare le loro prestazioni in maniera ottimizzata. Tra le classi di ossidi superconduttori, quella dei cuprati è particolarmente interessante perché superconduce ad alte temperature – fermo restando che stiamo parlando di valori bassissimi, attorno ai -200 °C. Una volta capito il motivo per cui questi materiali superconducono si può puntare ad alzare ulteriormente la temperatura in mondo da renderli più disponibili per l’uso tecnologico. Attualmente i materiali superconduttori vengono usati soprattutto nelle apparecchiature mediche di risonanza magnetica e nel trasporto di energia, opportunamente raffreddati per esempio con azoto liquido. Realizzare il sogno di un superconduttore a temperatura ambiente farebbe una bella differenza in campo applicativo e sarebbe una vera e propria rivoluzione tecnologica. Quali sono i metodi di induzione della superconduttività ad alte temperature? Il metodo classico è il drogaggio, che consiste nell’aggiungere a un semiconduttore piccole quantità di impurità al fine di alterare le proprietà della sostanza. Noi abbiamo messo a punto un metodo alternativo che consiste in un drogaggio eterogeneo attraverso un’interfaccia: in pratica si tratta di sintetizzare due materiali in modo che si trovino uno vicino all’altro e sfruttare gli effetti di interfaccia per indurre la superconduttività. 8 Dossier OggiScienza Superconduttori Per la sintesi si utilizza una tecnica chiamata molecular beam epitaxy (MBE), grazie alla quale si riescono a creare pellicole sottilissime di una grande varietà di materiali: si parte da un substrato tenuto a una temperatura tra 600 e 700 gradi che, in condizioni di alto vuoto, viene bombardato da fasci di atomi provenienti da una serie di metalli, dieci nel nostro caso. In particolari condizioni di temperatura, pressione, flusso, tipo di substrato, tipo e quantità di metalli reagenti, questi fasci danno origine a un nuovo materiale cristallino con spessore compreso tra quello di una singola cella atomica e 50 nm. Nel caso di crescita di ossidi, c’è bisogno anche di una fonte di ossigeno e per questo, durante il processo, viene introdotta nella camera una piccola quantità di ozono che consente l’ossidazione del materiale. Nella mia ricerca, lo strato principale è fatto da cuprato di lantanio mentre l’interfaccia da uno strato di stronzio. Si tratta di un elemento normalmente usato per drogare i materiali, ma nel nostro caso, invece di drogare tutto il volume, abbiamo depositato singoli strati di drogante all’interno della struttura. La struttura cuprato-stronzio viene poi ripetuta più volte periodicamente fino a creare un super reticolo. Le macchine in grado di produrre queste pellicole sono molto grandi e vengono comandate via computer. Quella che usiamo nel mio laboratorio è stata installata partendo da zero, nel senso che all’inizio non c’era nemmeno il pavimento, e la sua peculiarità consiste nel fatto che è in grado di controllare la composizione chimica delle singole celle dei materiali depositati. Questo dà molta libertà, perché possiamo scegliere nel dettaglio la composizione del cristallo e accoppiare tanti materiali diversi, continuando a conoscere con esattezza come è fatto ogni singolo strato atomico. L’MBE è considerata una tra le migliori e più complesse tecniche per la crescita di pellicole sottili. Come mi disse una volta il mio maestro di molecular beam epitaxy con il suo inconfondibile accento russo: “You are like God”. 9 Dossier OggiScienza Superconduttori Come avviene la superconduzione ad alte temperature nei cuprati? Gli scienziati ci stanno sbattendo la testa da 1986, anno in cui fu scoperto l’ossido di lantanio, bario e rame, il primo a supercondurre a temperature relativamente elevate, -243°C. Di ipotesi se ne fanno di continuo ma è difficile provare quale sia quella giusta. L’idea del nostro studio è cercare di capire almeno un po’ dei meccanismi di superconduttività ad alta temperatura e il più possibile dei meccanismi di interfaccia, con l’obiettivo finale di applicare lo stesso procedimento a ossidi diversi, con proprietà diverse. Nei nostri esperimenti osserviamo principalmente come ioni e elettroni si riarrangiano alle interfacce: quando sono vicini è come se si parlassero per ridistribuirsi da una parte all’altra dell’interfaccia per ristabilire l’equilibrio termodinamico. Altri effetti che osserviamo sono quelli di deformazione elastica e la creazione di legami atomici che in qualche modo modificano le proprietà funzionali del materiale. In particolare, in alcuni casi abbiamo visto che accoppiando il materiale A con il materiale B saltano fuori nuove proprietà C non previste dalla semplice combinazione di A e B presi singolarmente. Capita molto spesso che da un esperimento saltino fuori cose che non ci aspettiamo o che non cerchiamo affatto: le studiamo, proviamo a dare una spiegazione e, se sono utili, le teniamo, altrimenti cambiamo l’esperimento di conseguenza. Il vantaggio di tutto ciò è che con queste conoscenze diventa più facile giocare con i vari materiali, migliorarne le proprietà esistenti, crearne di nuove e ottimizzare le prestazioni. Il tutto su scala nanometrica, cosa che negli ultimi vent’anni ha aperto prospettive tecnologiche e concettuali davvero vantaggiose per i dispositivi a temperatura ambiente. Quali sono le prospettive future del tuo lavoro? Sarebbe interessante studiare interfacce di cuprati con altri materiali diversi dallo stronzio, in modo da indurre proprietà sempre differenti. Lo sbocco di una ricerca simile è creare dispositivi dalle dimensioni molto piccole, con prestazioni elevate e con cui giocare 10 Dossier OggiScienza Superconduttori in termini di proprietà. In questo senso, lavorare con gli ossidi è molto stimolante perché, rispetto ai semiconduttori che hanno un range di proprietà più limitato, possono essere manipolati in molti modi diversi. 11 Dossier OggiScienza Superconduttori Articolo di Luisa Alessio, pubblicato su OggiScienza Alla scoperta di nuovi materiali quantistici Segui il link per leggere l’articolo direttamente sul sito di OggiScienza https://oggiscienza.it/2016/10/24/materiali-quantistici-superconduttivita-fisica/ RICERCATORI ALL’ESTERO – “La prossima rivoluzione tecnologica è avere a disposizione un superconduttore ad alta temperatura con cui creare computer quantistici, linee elettriche ad alta potenza senza perdite di energia, tecnologie di trasporto ad alta velocità (come i treni a levitazione magnetica), macchine di risonanza magnetica più compatte e senza sistemi di raffreddamento. Non ci siamo ancora arrivati ma dobbiamo continuare a cercare: è un viaggio nell’ignoto ma la ricompensa finale (scientifica e tecnologica) potrebbe essere immensa”. Tra tutti i materiali che ci circondano, quelli quantistici a transizione superconduttiva più alta sono considerati molto promettenti per lo sviluppo di nuove tecnologie, non necessariamente solo elettroniche. L’ideale sarebbe riuscire a creare materiali superconduttivi a temperatura ambiente. Nome: Riccardo Comin Età: 31 anni Nato a: Udine Vivo a: Boston (Stati Uniti) Dottorato in: fisica (Vancouver, British Columbia, Canada) Ricerca: Struttura elettronica di materiali superconduttori con interazioni multi-corpi Istituto: Department of physics, MIT Massachusetts Institute of Technology (Cambridge, 12 Dossier OggiScienza Superconduttori Massachusetts, USA) Interessi: viaggiare Di Boston mi piace: la grande varietà di pesce. Di Boston non mi piace: l’umidità, il traffico, i prezzi delle case. Pensiero: Happiness is real only when shared. (Jon Krakauer, Into the Wild) Quali sono le caratteristiche dei materiali con interazioni multi-corpi? Si tratta di materiali fatti da un alto numero di entità interagenti tra loro (elettroni) e in cui i meccanismi cooperativi che si instaurano sono talmente forti da creare proprietà inaspettate. Con alto numero di entità mi riferisco al fatto che in 1 cm 3 di materiale ci sono circa 1022 atomi, ovvero circa 10 mila miliardi di miliardi, e ogni atomo ha un certo numero di elettroni. Quindi si può immaginare quanto complessi siano i comportamenti e le dinamiche cooperative in questi materiali. E quanto imprevedibili dal punto di vista teorico siano le nuove proprietà che si generano. Un po’ come una società di individui: se ci sono poche persone, ognuno si comporta in base ai suoi bisogni primari con una dinamica abbastanza semplice da comprendere; se le persone sono molte, cominciano a nascere interazioni e meccanismi di collaborazione che favoriscono la creazione di sistemi più complessi come le comunità. Per gli elettroni la situazione è simile: ci sono certi materiali, come il silicio o i metalli semplici tipo rame e oro, in cui ogni elettrone segue la sua strada e il comportamento del materiale è facilmente prevedibile con i metodi della fisica classica. In un materiale quantistico, invece, gli effetti delle forti interazioni tra le componenti creano situazioni nuove rispetto alla somma delle parti individuali. La mia ricerca consiste nel sintetizzare nuovi materiali e studiarne le proprietà, soprattutto elettroniche e magnetiche, che stanno diventando particolarmente rilevanti nel campo dell’elettronica al fine di riuscire a controllarle. 13 Dossier OggiScienza Superconduttori Che tipi di materiali studi? In pratica tutti quei materiali in cui la cooperazione degli elettroni produce un particolare effetto quantistico macroscopico che è la superconduttività. I materiali superconduttori sono molto sofisticati dal punto di vista della loro natura quantistica: sono superfluidi elettronici, cioè sistemi di elettroni in cui ogni componente sa esattamente dove sono gli altri fino a formare una specie di fluido che procede in fase. Per fare un paragone, immaginiamo un’autostrada in cui non ci sono macchine che superano, che vanno in direzioni diverse, entrano o escono e fanno incidenti. Tutte le vetture vanno esattamente alla stessa velocità, si tengono esattamente alla stessa distanza e rispettano un ordine di percorrenza molto preciso. Questo è un superconduttore: un sistema in cui non ci sono collisioni e gli elettroni fluiscono in maniera estremamente ordinata e coordinata. È un moto perfetto di un sistema con tante entità e secondo me è una delle manifestazioni più spettacolari delle proprietà quantistiche e cooperative che emergono da un sistema di elettroni fortemente interagenti. I nostri materiali preferiti sono i cuprati, cioè ossidi di rame, perché hanno grandi potenzialità tecnologiche dato che diventano superconduttivi a temperature più alte rispetto ad altri materiali. Parliamo di temperature comunque molto più basse rispetto a quella ambiente che, nel caso dei materiali migliori, si aggirano attorno ai 170 °K (-120 °C). Esistono diversi tipi di cuprati con diversa composizione chimica degli atomi: tra quelli che studiamo in laboratorio un materiale particolarmente interessante perché molto puro e pulito è un cuprato fatto da ittrio, bario e rame che si chiama YBCO. Puro significa che ha pochissimi difetti negli strati che supportano la superconduttività e ciò è molto importante per le nostre analisi perché rende più facile lo studio e l’interpretazione di certi fenomeni. Le impurità infatti sono una perturbazione del materiale e creano un disordine che influenza le proprietà elettroniche e magnetiche 14 Dossier OggiScienza Superconduttori Che risultati avete ottenuto su YBCO? Abbiamo scoperto che, all’interno del materiale, gli elettroni oltre a interagire tra di loro e formare una fase superconduttiva hanno altre tendenze cooperative e spesso si congelano lungo strutture periodiche a forma di strisce chiamate stripe order. Questo è un meccanismo molto importante per la fisica dei cuprati perché è diametralmente opposto al tipico comportamento superconduttivo, in cui gli elettroni sono liberi di muoversi in maniera coordinata. Quello che succede è che all’interno del materiale alcune zone sono attraversate da supercorrenti e mentre in altre gli elettroni sono fermi, bloccati. Il fenomeno è conosciuto come coesistenza di fasi ed è come l’olio nell’acqua, che in un’emulsione tendono a evitarsi. Allo stesso modo, la fase a strisce e quella superconduttiva non stanno contemporaneamente nella stessa parte del materiale ma tendono a evitarsi, con una delle due segregata in piccole isole statiche mentre attorno gli elettroni sono liberi di fluire. La coesistenza di fasi non impedisce la superconduttività nel materiale ma pensiamo possa essere uno dei motivi che attualmente limita la temperatura a cui si manifestano le supercorrenti. Se si potesse rimuovere la tendenza a formare le fasi statiche magari in futuro si potrebbero migliorare le proprietà superconduttive dei materiali. Quali sono le prospettive future del tuo lavoro? Rimango molto interessato alla superconduttività, ma in realtà studiamo anche altre proprietà quantistiche, come la magnetoelettricità. In generale, mi piacerebbe scoprire altri materiali superconduttori: il problema è che nei sistemi a multi-corpi, gli elettroni che interagiscono tra loro sono tantissimi ed è molto difficile fare predizioni teoriche, anzi è quasi impossibile anticipare la composizione chimica ed elettronica di un materiale che manifesti proprietà superconduttive. Di solito si fanno crescere cristalli partendo dai precursori di base, giocando di volta in volta con le concentrazioni, e solo alla fine, attraverso la caratterizzazione, si scopre se il materiale è superconduttivo o meno. Non è possibile pianificare nulla, la stessa superconduttività nei cuprati è stata una scoperta serendipitous, come dicono gli inglesi. 15 Dossier OggiScienza Superconduttori Articolo di Luisa Alessio, pubblicato su OggiScienza L’effetto della luce sui materiali fortemente correlati Segui il link per leggere l’articolo direttamente sul sito di OggiScienza https://oggiscienza.it/2016/10/11/fisica-dei-materiali-correlati/ RICERCATORI ALL’ESTERO – “La struttura elettronica di un materiale ha applicazioni dirette e immediate nel mondo in cui viviamo; oggi parliamo di materiali fortemente correlati ma tra cinque o dieci anni ci saranno tecnologie in grado di sfruttarli. È sorprendente come questi oggettini che chiamiamo elettroni, se perturbati, possano cambiare tanto profondamente tutte le proprietà di un materiale.” Nome: Lorenzo Sponza Età: 32 anni Nato a: Venezia Vivo a: Londra (Gran Bretagna) Dottorato in: fisica (Parigi, Francia) Ricerca: Un metodo autocoerente GW+DMFT per la simulazione di strutture elettroniche Istituto: Dipartimento di fisica, King’s College of London (Gran Bretagna) Interessi: fotografia, sociopolitica-economia-macroeconomia, giochi da tavolo o di ruolo Di Londra mi piace: è Londra! C’è spontaneamente di tutto Di Londra non mi piace: è troppo grande, è difficile muoversi all’interno della città, sei sempre nei mezzi pubblici Pensiero: “Pas de raccourcis” (nessuna scorciatoia) 16 Dossier OggiScienza Superconduttori I materiali fortemente correlati stanno riscuotendo un grande successo perché sono materiali innovativi dalle interessanti proprietà fisiche. La loro comprensione e descrizione teorica rappresenta una sfida nel campo della fisica della materia condensata. Tra gli approcci di studio, il metodo GW+DMFT permette di usare una descrizione dell’intero materiale ab initio, senza conoscerne troppi dettagli, seguita da una simulazione che corregge la parte fortemente correlata, per selezionare meglio i dettagli. Il tutto in un ciclo di analisi ben costruito e definito. Cosa sono i materiali fortemente correlati? Si tratta di sistemi in cui l’interazione tra gli elettroni nella banda di valenza è talmente forte da influire sulle caratteristiche fisiche di un materiale di interesse. Gli elettroni di valenza sono quelli che si trovano in una zona ad alta energia e che, nel loro insieme, hanno comportamenti molto diversi da quelli di singole particelle. Buona parte della fisica che cerchiamo di studiare per le applicazioni tecnologiche, dal fotovoltaico al touch screen fino all’elettronica trasparente, è legata al comportamento di questi elettroni. Quando si studia un materiale, però, non basta capire come si dispongono gli atomi nel loro stato fondamentale perché, una volta prodotto, quel materiale arriva nelle nostre mani e inizia a essere usato: le particelle che lo compongono entrano per forza in contatto con luce, calore, vibrazioni e altre perturbazioni o forze e quello che diventa fondamentale sapere è come reagiscono gli elettroni a questi stimoli. La mia ricerca si occupa di elaborare modelli analitici semplici per descrivere e predire il comportamento di un materiale in risposta a uno stimolo luminoso (luce visibile, raggi X e infrarossi). Non mi sono occupato di un materiale specifico ma ho lavorato sulle equazioni matematiche, sulle righe di codice che stanno alla base delle simulazioni fatte al computer. Per testare i miei modelli ho applicato le simulazioni a materiali interessanti dal punto di vista tecnologico come il titanato di stronzio, la grafite, il cuprato di lantanio, il grafene, il nichel e l’ossido di zinco. 17 Dossier OggiScienza Superconduttori Che metodi hai utilizzato per studiare l’interazione tra elettroni e luce? Esistono principalmente due approcci: uno modellistico e uno ab initio. Prendiamo per esempio il cuprato di lantanio, formato da rame, lantanio e ossigeno, e ipotizziamo di voler studiare l’interazione tra la luce e gli elettroni di valenza del rame. Quando creiamo il modello del materiale, dobbiamo tener conto che ci sono altri elettroni, cioè quelli del lantanio e dell’ossigeno e quelli non di valenza del rame. Un approccio modellistico ignora gli ossigeni, gli stati profondi e tutto il contorno, e descrive solo il comportamento delle particelle di valenza. Il modello di approssimazione usato, quello di Hubbard, è molto semplice e descrive gli elettroni come se fossero piccoli elementi messi sui nodi di un reticolo. La complessità del sistema viene ridotta a una Hamiltoniana che però dipende da un parametro libero di cui non si conosce il valore, cioè quello dell’interazione tra gli elettroni. Il modello non può essere quantitativamente predittivo finché non si assegna un numero al parametro, numero che deve essere aggiustato di volta in volta (un po’ a intuito, un po’ su dati sperimentali, se ci sono) in base alle caratteristiche del modello da studiare. Una volta risolto il sistema, è possibile verificare le sue proprietà. Un approccio modellistico molto potente e fruttuoso per descrivere i materiali correlati è chiamato DMFT (Dynamical meanfield theory) o teoria di campo medio dinamico. E per quanto riguarda lo studio ab initio? Ab initio è una parola tecnica e significa “da principi primi”: in questo caso, per caratterizzare il materiale in una simulazione, non ci sono parametri liberi e non occorre fornire informazioni sull’interazione tra le parti o sui processi presenti. Basta inserire nel computer la posizione degli atomi che compongono il materiale e far partire la simulazione. Nei conti ab initio, vengono quindi inclusi tutti gli elettroni (ossigeno, lantanio, rame) e, se il sistema viene trattato in maniera esatta, non c’è bisogno di passare per un modellino 18 Dossier OggiScienza Superconduttori che seleziona solo le particelle di interesse. Purtroppo, quando le interazioni sono molto forti come nei materiali fortemente correlati, è difficile essere così esatti perché, per il nostro stato di conoscenza delle equazioni di base, scrivere qualcosa che il computer possa calcolare è tecnicamente impossibile. La sigla che caratterizza tutta la serie di tecniche ab initio che usiamo è GW. Quali sono i vantaggi dei calcoli ab initio? Innanzitutto, gli studi per principi primi tengono conto di tutto quello che succede all’interno del materiale, senza correre il rischio (o comunque un rischio molto limitato) di perdere fenomeni per strada. Nell’approccio modellistico, invece, chi prepara il modello e descrive il materiale sta, di fatto, già decidendo quali sono i processi che avvengono. Inoltre, lavorare ab initio permette di essere più predittivi perché non si è legati a nessun risultato sperimentale o a nessuna conoscenza a priori del materiale. D’altra parte, siccome in questo tipo di analisi c’è di tutto, se emerge un processo interessante, capire le forze principali che lo generano richiede un’elaborazione dei dati molto complicata. Usare invece un modello semplice permette di tenere sotto controllo quello che sta succedendo: si paga il prezzo di non avere una descrizione completa del materiale ma si può selezionare meglio la fisica che interessa. Qual è l’effetto della luce sui materiali fortemente correlati? Per il titanato di stronzio ho scritto un’equazione in cui riesco a includere gli effetti dinamici nell’assorbimento di luce. Quando la luce colpisce un elettrone, questo assorbe l’energia e passa a uno stato eccitato. Tutti gli altri elettroni del sistema non stanno fermi a guardare, ma reagiscono in tempi diversi. Finora bisognava approssimare la loro risposta come se fosse istantanea perché altrimenti era difficile fare i calcoli per risolvere l’equazione; con la mia ricerca sono riuscito a fare delle simulazioni che tengono conto di questo ritardo. 19 Dossier OggiScienza Superconduttori Quali sono le prospettive future del tuo lavoro? A inizio ottobre mi sono trasferito a Parigi e lavoro presso il LEM (Laboratoire D’étude Des Microstructure) all’ONERA, l’agenzia aerospaziale francese. Mi occupo sempre di simulazioni ab initio della struttura elettronica, ma questa volta mi concentro su un sistema specifico, il nitruro di boro esagonale, per gli amici hBN. Questo materiale ultimamente è molto in voga perché si è capito come produrne film molto sottili, spessi un atomo per intenderci. 20 Dossier OggiScienza Superconduttori Glossario Atomo È il componente fondamentale della materia che costituisce non solo il nostro pianeta, ma l’Universo intero. Il nome deriva dal greco e significa “indivisibile” (alfa privativo + temnein, un verbo che significa tagliare) ma oggi sappiamo che non è affatto così: un atomo ha un nucleo centrale, intorno al quale si muovono particelle chiamate elettroni dotate di una piccola carica elettrica, che per convenzione si definisce negativa. All’interno del nucleo, invece, ci sono le particelle chiamate protoni, che hanno carica positiva, e i neutroni, con carica neutra. A proporre questo tipo di struttura, il primo modello atomico realistico, fu il chimico e fisico neozelandese Ernest Rutherford, premio Nobel per la chimica nel 1908, che studiò una struttura “ispirata” al Sistema Solare, in cui i pianeti orbitano intorno alla loro stella. In seguito fu il fisico Niels Bohr, nel 1916, a proporre un nuovo modello che “risolveva” le problematiche incontrate da quello del suo collega Rutherford, e che oggi è uno dei pilastri alla base della meccanica quantistica. Computer quantistico Un computer che sfrutta i fenomeni della meccanica quantistica per effettuare le operazioni di elaborazione delle informazione. La meccanica quantistica è la scienza che studia i sistemi atomici e subatomici, sistemi in cui le leggi della fisica classica non valgono. Nel corso degli anni ha permesso di interpretare molti dati sperimentali e 21 Dossier OggiScienza Superconduttori fenomeni macroscopici come la superconduttività (vedi alla voce Superconduttività). La meccanica quantistica pone un approccio del tutto nuovo alla fisica e si basa su un concetto di misura diverso, che parte dal principio di indeterminazione di Heisenberg per cui non è possibile conoscere allo stesso tempo la posizione o la velocità di una particella. L'osservatore, nella meccanica quantistica, influisce attivamente sul sistema che vuole misurare: illuminando un elettrone per osservarne la posizione, inevitabilmente, gli si fornisce l’energia che ne aumenta la velocità originaria. Conducibilità elettrica È la misura della capacità di un materiale a condurre una corrente elettrica. La resistività elettrica, al contrario, è l'attitudine di un materiale a resistere al passaggio delle cariche elettriche. Discretizzazione Un procedimento usato in matematica e informatica, che permette di trasformare modelli matematici basati su equazioni continue in modelli matematici basati su equazioni discrete. Equilibrio termodinamico In termodinamica, la branca della fisica che studia le trasformazioni di lavoro meccanico in calore e viceversa, un sistema è detto in equilibrio termodinamico quando i suoi parametri come temperatura, volume e pressione non cambiano nel tempo e se un loro cambiamento è possibile solo quando a modificarsi è l’ambiente che circonda il sistema (il quale però ne subisce le ripercussioni). 22 Dossier OggiScienza Superconduttori Magnetoelettricità Un dispositivo magnetoelettrico permette di trasformare l’energia magnetica in energia elettrica. I trasduttori, ad esempio, convertono le variazioni di un campo magnetico (funzione di ingresso) in variazioni di una corrente elettrica (funzione di uscita). Onde Gravitazionali Secondo la teoria della relatività generale formulata da Albert Einstein (vedi sotto) si tratta di vibrazioni che hanno origine da un violento evento cosmico, come l’esplosione di una supernova, il Big Bang o la collisione di due buchi neri. Quest’ultima circostanza, oltre ad aver provato l’esistenza dei buchi neri, è anche quella che ha permesso agli scienziati di confermare l’esistenza delle stesse onde gravitazionali, nel 2015 (la scoperta è stata resa pubblica l’11 febbraio 2016). Superconduttività La caratteristica di quei metalli che, al passaggio di una corrente elettrica e a una data temperatura, assumono resistenza nulla ed espellono i campi magnetici. Il mercurio è uno di questi materiali superconduttori (il primo a essere stato scoperto, nel 1911 dal fisico olandese Heike Onnes) ma anche altri metalli e leghe vantano la stessa proprietà. La corrente elettrica che fluisce in un superconduttore è detta supercorrente. Superfluidità È una proprietà della materia ed è stata scoperta nel 1935 dal fisico Willem Hendrik Keesom, esperto del comportamento della materia. I superfluidi hanno conducibilità termica infinita e totale assenza di entropia e viscosità. 23 Dossier OggiScienza Superconduttori Collegamenti interdisciplinari Informatica Comprendere la complessità e i limiti delle applicazioni scientifiche quando si scende su scale atomiche L’idea di un sistema di elaborazione basato sugli stati delle particelle elementari ha più di trent’anni, e si può far risalire alle intuizioni di Richard Feynman. L’obiettivo è quello di sostituire i bit (ottenuti da semiconduttori e che sfruttano i due stati possibili 1 e 0) con i qubit che, seguendo le regole della meccanica quantistica, possono trovarsi in quattro condizioni differenti. Alcuni fisici di Ibm, sfruttando le proprietà dei superconduttori, hanno messo in piedi un sistema sperimentale a quattro qubit. Quali altri tentativi sono stati fatti per realizzare computer quantistici? Quali i principali problemi? 24 Dossier OggiScienza Superconduttori Scienze della Terra Comprendere la complessità delle generalizzazioni e semplificazioni didattiche Fin dai tempi delle elementari sappiamo che gli stati della materia sono solido, liquido o aeriforme. Nella scienza moderna, però, questa classificazione è risultata inadeguata per descrivere le possibili forme di organizzazione della materia. Un esempio? Anche semplicemente definire il “ghiaccio” non è semplice, visto che ne sono stati descritti ben 15 tipi differenti. Il plasma è il primo stato della materia aggiunto alla lista dei tre che conosciamo tutti, per esempio lo stato superfluido. Ma quali altri stati della materia esistono? E di cosa si tratta? Scienza e applicazioni Comprendere alcune applicazioni pratiche della superconduttività Trovare materiali superconduttori a temperature “alte”, come per esempio la temperatura ambiente, non è cosa facile. Proprio per questo le applicazioni pratiche dei superconduttori sono per ola limitate ad alcuni ambiti specifici: dalla realizzazione di magneti superconduttori ai treni a levitazione magnetica. Come funzionano questi treni? Quali sono i vantaggi rispetto ai normali mezzi di trasporto? 25 Dossier OggiScienza Superconduttori Ulteriori risorse online ENEA Tv, La superconduttività si vede! (ITA) https://www.youtube.com/watch?v=humOoxk5dgw In a Nutshell - Quantum Computers Explained (ENG) https://www.youtube.com/watch? v=JhHMJCUmq28 26
