Materiali quantistici: spin elettronico misurato per la prima volta

9 giugno 2023

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by Università di Bologna

Un gruppo di ricerca internazionale è riuscito per la prima volta a misurare lo spin degli elettroni nella materia, ovvero la curvatura dello spazio in cui gli elettroni vivono e si muovono, all'interno dei "materiali kagome", una nuova classe di materiali quantistici.

I risultati ottenuti – pubblicati su Nature Physics – potrebbero rivoluzionare in futuro il modo in cui verranno studiati i materiali quantistici, aprendo la porta a nuovi sviluppi nelle tecnologie quantistiche, con possibili applicazioni in diversi campi tecnologici, dalle energie rinnovabili alla biomedicina, dall’elettronica alla computer quantistici.

Il successo è stato raggiunto grazie ad una collaborazione internazionale di scienziati, alla quale Domenico Di Sante, professore presso il Dipartimento di Fisica e Astronomia “Augusto Righi”, ha partecipato per l'Università di Bologna nell'ambito del suo progetto di ricerca Marie Curie BITMAP. A lui si sono uniti colleghi del CNR-IOM di Trieste, dell'Università Ca' Foscari di Venezia, dell'Università degli Studi di Milano, dell'Università di Würzburg (Germania), dell'Università di St. Andrews (Regno Unito), del Boston College e dell'Università di Santa Barbara (Stati Uniti).

Attraverso tecniche sperimentali avanzate, utilizzando la luce generata da un acceleratore di particelle, il Sincrotrone, e grazie a moderne tecniche di modellizzazione del comportamento della materia, gli studiosi sono riusciti a misurare per la prima volta lo spin degli elettroni, legato al concetto di topologia.

"Se prendiamo due oggetti come un pallone da calcio e una ciambella, notiamo che le loro forme specifiche determinano proprietà topologiche diverse, ad esempio perché la ciambella ha un buco, mentre il pallone no", spiega Domenico Di Sante. "Allo stesso modo, il comportamento degli elettroni nei materiali è influenzato da alcune proprietà quantistiche che determinano la loro rotazione nella materia in cui si trovano, in modo simile a come la traiettoria della luce nell'universo viene modificata dalla presenza di stelle, buchi neri, materia ed energia oscura, che piegano il tempo e lo spazio."

Sebbene questa caratteristica degli elettroni sia nota da molti anni, nessuno fino ad ora era riuscito a misurare direttamente questo "spin topologico". Per raggiungere questo obiettivo, i ricercatori hanno sfruttato un particolare effetto noto come “dicroismo circolare”: una speciale tecnica sperimentale utilizzabile solo con una sorgente di sincrotrone, che sfrutta la capacità dei materiali di assorbire la luce in modo diverso a seconda della loro polarizzazione.

Gli studiosi si sono concentrati soprattutto sui “materiali kagome”, una classe di materiali quantistici che devono il loro nome alla loro somiglianza con l'intreccio di fili di bambù intrecciati che compongono un tradizionale cestino giapponese (chiamato, appunto, “kagome”). Questi materiali stanno rivoluzionando la fisica quantistica e i risultati ottenuti potrebbero aiutarci a saperne di più sulle loro speciali proprietà magnetiche, topologiche e superconduttrici.

"Questi importanti risultati sono stati possibili grazie ad una forte sinergia tra pratica sperimentale e analisi teorica", aggiunge Di Sante. "I ricercatori teorici del team hanno utilizzato sofisticate simulazioni quantistiche, possibili solo con l'uso di potenti supercomputer, e in questo modo hanno guidato i loro colleghi sperimentali nell'area specifica del materiale in cui è stato possibile misurare l'effetto del dicroismo circolare."

Maggiori informazioni: Domenico Di Sante et al, Separazione a banda piatta e curvatura robusta della bacca di spin nei metalli kagome a doppio strato, Nature Physics (2023). DOI: 10.1038/s41567-023-02053-z