Teoria della Materia

Teoria dei materiali
Vincenzo Fiorentini
Dipartimento di Fisica, Università di Cagliari
Consiglio Nazionale delle Ricerche, Istituto Officina dei Materiali (IOM)
[email protected] – 3471410906
Corsi: Fond Fisica Computazionale (LT), Fisica 2 (IngElett)
In sintesi : attività di fisica computazionale dei materiali da
principi primi, con uso di supercalcolo e con forte tradizione
di collaborazione con sperimentali e tecnologi
Theory of electronic materials
"Esperimenti" al calcolatore
-  meccanica quantistica senza input empirici (solo numeri atomici)
- N elettroni interagenti in un potenziale esterno (che definisce il sistema).
- interazione elettronica descritta dalla teoria del funzionale
densità (Nobel 1998) con estensioni e correzioni varie
;
;
motivazione e feedback da/a esperimento
Theory of electronic materials
Cosa si può calcolare
-  Energia e sue derivate vs posizioni atomiche e geometrie reticolari
=> geometrie (F=-dE/dR), vibrazioni (k=d2E/dR2), moduli elastici,
dinamica ionica (ma=F) anche a T finita (T~energia cinetica)
- Energie elettroniche => coefficienti di trasporto, assorbimento
e dispersione della luce (dalle MW all'UV)
trasporto elettronico e di calore, etc.
-  Magnetizzazione, polarizzazione, e altri parametri d'ordine
(e tanto altro, come dicono nelle pizzerie di paese)
Theory of electronic materials
Cosa serve per lavorare in questo campo
Passione, Impegno, Pazienza
Possono aiutare:
- conoscenze di fisica della materia
-  conoscenze informatiche "da utente"
-  conoscenze da "hacker" benvenute
Theory of electronic materials
"Emergence" di proprietà inattese in sistemi
complessi di molte particelle interagenti
Rottura spontanea di simmetria vs parametri (T, comp., etc.)
Comparsa di stati ordinati e topologici in competizione o
combinazione
Transizioni di fase (fenomeni critici, eccitazioni elementari)
PW Anderson, More is different, Science 177, pp. 393, 1972
Theory of electronic materials
Ordine posizionale (liquido->solido) vs T
isotropo
simm. rotazionale
continua
Theory of electronic materials
anisotropo
simm. rotazionale
discreta
Ordine orientazionale (ferroelettrico) vs T
P=0
P
Theory of electronic materials
Ordine di spin (vs T, ma non solo)
Theory of electronic materials
Ordine orbitale (e magnetico) vs T e composizione
AF
LaTiO
3
Theory of electronic materials
YTiO3
FM
Ordine orbitale+magnetico+ferroelettrico vs T e composizione
..transizione
strutturale...
Antiferromagnetico
e ferroelettrico !
Theory of electronic materials
Ordine orbitale e di carica vs composizione
CaxYCuO
x=0
isolante, gap~4 eV
Theory of electronic materials
x=1/4
hopping metal
x=1/3
isolante polaronico
gap=0.2 eV
Ordine magnetico e transizione metallo-isolante
via nanostrutturazione
Metallo non magnetico in nanostruttura => isolante magnetico
NiII
NiIV
Theory of electronic materials
Esempio: multiferroici topologici...
Antiferromagnete, TNeél~250 K
Robusto ferroelettrico
FM
Cmcm
Cmc21
AFc
Theory of electronic materials
Cmcm
Cmc21
...magnetoelettrici...
Energia~
quindi la P, M indotte sono a "croce":
α(LMO) ~ 100 α(Cr2O3) !
modi soft (rotazioni), più risposta in M
Cr2O3
0.08
LMO
0.07
1.21
Theory of electronic materials
1.22
1.23
1.24
1.25
...ferromagnetici...
V-doped LTO
Doping con V (Vanadio)
produce ordine
strutturale (catene),
magnetico (ferro),
orbitale (antiferro-orbitale),
conservando (anzi rinforzando)
l'ordine ferroelettrico
Theory of electronic materials
...switchabili.
E
M
M
t
P
+z
Theory of electronic materials
t
P
-z
V:LTO: magnetoelettrico ideale.
Invertendo la polarizzazione
con campo elettrico (senza
campo magnetico) si inverte
anche la magnetizzazione