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Roma, 21 mar. (askanews) - Ricercatori dell'Istituto nanoscienze del Consiglio nazionale delle ricerche (Nano-Cnr) hanno mostrato che nei nanotubi di carbonio si realizza spontaneamente un nuovo stato quantistico della materia, detto isolante eccitonico, predetto mezzo secolo fa dal premio Nobel Walter Kohn e finora mai confermato in modo definitivo. Lo studio, condotto in collaborazione con Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati (Sissa), Istituto officina dei materiali (Iom-Cnr) e Istituto struttura della materia (Ism-Cnr) del Consiglio nazionale delle ricerche, è stato pubblicato su Nature Communications. I nanotubi di carbonio - spiega il Cnr - sono cilindri ottenuti dal grafene, materiale bidimensionale composto da un foglio di carbonio dello spessore di un solo atomo che, una volta arrotolato, forma tubi con raggio di pochi nanometri (un nanometro è pari a un miliardesimo di metro) e lunghi quanto il diametro di un capello. Finora il comportamento di una classe importante di nanotubi, in grado di condurre corrente elettrica, si spiegava supponendo che gli elettroni degli atomi di carbonio si muovessero facilmente e indipendentemente uno dall'altro per tutta la lunghezza, cioè che il materiale si comportasse come un metallo. I ricercatori di Nano-Cnr hanno invece dimostrato che quando un elettrone abbandona un atomo di carbonio non si muove liberamente ma si lega con la buca che lascia dietro di sé, formando una particella composita fatta dall'elettrone e dalla buca, detta eccitone. "Abbiamo riprodotto il comportamento collettivo di tutti questi eccitoni grazie a simulazioni numeriche sofisticate e molto affidabili basate sulla meccanica quantistica - spiega Massimo Rontani di Nano-Cnr - e verificato che gli elettroni sono liberi di spostarsi solo se viene fornita una quantità di energia sufficiente a dissolvere gli eccitoni. Questo significa che il nanotubo si comporta come un materiale isolante, un isolante eccitonico: si tratta di un fenomeno quantistico elusivo, a lungo inseguito". I nanotubi sono un sistema ideale per la nanoelettronica, potendo funzionare come minuscoli fili conduttori, e lo studio, dimostrando per la prima volta l'esistenza dell'isolante eccitonico nei nanotubi di carbonio, permetterà di comprendere meglio il meccanismo per cui i nanotubi si comportano da metallo o da isolante. "In questa ricerca siamo ripartiti dall'inizio, ignorando l'opinione consolidata secondo cui l'isolante eccitonico non poteva esistere nei nanotubi di carbonio", spiega Daniele Varsano di Nano-Cnr. "Per arrivare a conclusioni affidabili sono state necessarie simulazioni numeriche sui supercalcolatori particolarmente complesse, rese possibili dal centro di eccellenza MaX, l'infrastruttura europea dedicata alla ricerca computazionale sui materiali guidata da Nano-Cnr. Grazie ai recenti sviluppi del calcolo ad alte prestazioni, l'high performance computing, è ora possibile predire proprietà della materia ancora inosservate, che fino a pochi anni fa si ritenevano irrealizzabili e relegate ai libri di testo".

Nuovi materiali per la luce: diventano fluidi quantistici

Fluidi quantistici di luce   Ricercatori Cnr-Nanotec hanno dimostrato che è possibile realizzare una giunzione Josephson in superfluidi quantistici di polaritoni.

Analogamente a ciò che avviene tra superconduttori separati da un isolante, è stata osservata, per la prima volta in fluidi di luce interagente, una giunzione Josephson artificiale, dovuta alla differenza di fase fra due fluidi quantistici. Lo studio, è stato condotto in collaborazione con l’Istituto di fisica dell’Accademia polacca delle scienze ed è pubblicato su Nature Photonics. Nell’ultimo decennio, lo sviluppo di nuovi materiali ha portato alla creazione di dispositivi in cui anche la luce si comporta come un fluido quantistico, in alcune delle più intriganti manifestazioni della fisica quantistica – superfluidità, superconduzione e condensazione di Bose-Einstein – su scala macroscopica, ovvero in sistemi con migliaia di particelle. In un articolo pubblicato su Nature Photonics, i ricercatori dell’Istituto di nanotecnologia del Consiglio nazionale delle ricerche (Cnr-Nanotec) di Lecce, in collaborazione con l’Istituto di fisica dell’Accademia polacca delle scienze, hanno dimostrato che è possibile realizzare una giunzione Josephson (JJ) in superfluidi quantistici di polaritoni.  

“Con questa complessa definizione tecnica, probabilmente poco comprensibile per i non addetti ai lavori, si esprime un fenomeno molto particolare che si può osservare al confine tra due fluidi quantistici di luce. In termini metaforici accade qualcosa di analogo a quanto avviene laddove l’oceano Pacifico e il mar glaciale Artico si incontrano: apparentemente non si mischiano, ed al bordo dei due fluidi classici si crea una barriera ben definita, dovuta alle differenti salinità, densità e temperatura delle acque”, spiega Dario Ballarini, ricercatore Cnr-Nanotec e coordinatore del lavoro.

“Noi abbiamo osservato per la prima volta in fluidi di luce interagente, similmente a ciò che avviene alla giunzione tra due materiali superconduttori separati da un sottile strato isolante, una vera e propria giunzione Josephson artificiale, dovuta invece alla differenza di fase dei due fluidi quantistici”. La differenza di fase può essere paragonata a uno scalino, un dislivello tra i due fluidi.

La giunzione Josephson è alla base di svariate applicazioni, come ad esempio gli Squid, i dispositivi di interferenza quantistica a superconduttore che permettono misure di campo magnetico con una precisione estremamente elevata. Ed è parte integrante, tra gli altri, degli scanner ultrasonori a risonanza magnetica (MRI) utilizzati in medicina. Nel recente lavoro pubblicato su Nature Photonics gli autori hanno trovato un modo per generare tale ‘scalino’ in un fluido quantistico polaritonico, un fluido di luce che ‘vive’ dentro un dispositivo a semiconduttore. “Per noi è stato sorprendente non solo osservare la formazione di una giunzione di Josephson artificialmente creata con raggi laser sul nostro fluido polaritonico, ma anche di veder nascere vortici quantistici (mulinelli con momento angolare quantizzato) ai bordi della giunzione”, prosegue Ballarini, “Questi vortici, chiamati appunto di Josephson, sono infatti molto difficili da osservare sia nei superconduttori come nei fluidi quantistici standard (atomi freddi ed elio liquido), mentre per condensati di polaritoni, controllabili con la luce, è stato possibile generare specifici salti di velocità del fluido, come cascate, che hanno permesso di misurare questi particolari mulinelli quantistici”.

“Mentre la temperatura operativa, nel caso specifico, è limitata dal particolare tipo di semiconduttore utilizzato, questo risultato può essere facilmente esteso a temperatura ambiente, utilizzando semiconduttori organici o ibridi, come abbiamo già fatto in passato per dimostrare ad esempio la superfluidità”, commenta Daniele Sanvitto, ricercatore Cnr-Nanotec e coordinatore del progetto di ricerca. “Questa nuova tecnologia può contribuire sia nel campo della fisica fondamentale allo studio delle dinamiche di fluidi quantistici fuori dall’equilibrio, sia allo sviluppo di nuove applicazioni, dove è importante una elevata sensibilità nella misurazione, di imaging ad alta risoluzione o nel campo dell’elaborazione quantistica”.

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