Le proprietà uniche dei cristalli. Una nuova luce sul loro comportamento quantistico
Pubblicato su rivista internazionale una innovativa ricerca compiuta da docenti di Fisica del nostro Ateneo
Tra le strutture più affascinanti in natura ci sono sicuramente i cristalli, strutture atomiche solide, ordinate e organizzate. Tuttavia non è solo la loro bellezza a colpire, ma anche le loro straordinarie proprietà, che sfruttiamo ogni volta che utilizziamo televisori, computer e smartphone, consentendoci di sintonizzarci su diversi canali, accedere a Internet e comunicare senza fili. I cristalli hanno rivoluzionato il mondo industriale, consentendo progressi nella comunicazione, nell'assistenza sanitaria, nei trasporti, nelle energie rinnovabili, e tanto altro.
Nel tempo la scienza ha cercato di scoprire nuovi cristalli con innovative proprietà, anche in ottica di miniaturizzazione dei device elettronici di uso quotidiano. Tuttavia per fare ciò risulta cruciale comprendere il comportamento microscopico degli elettroni e dei nuclei, i costituenti degli atomi che compongono qualsiasi struttura cristallina.
Di recente un importante studio in merito che vede tra gli autori il prof. Gianluca Stefanucci e il prof. Enrico Perfetto, entrambi docenti di Fisica Teorica della Materia presso il dipartimento di Fisica dell'Università di Roma Tor Vergata dal titolo In and Out-of-Equilibrium Ab Initio Theory of Electrons and Phonons, è stato pubblicato dalla prestigiosa rivista internazionale Physical Review X.
Oltre un secolo fa gli scienziati capirono che i nuclei, oscillando attorno alle loro posizioni di equilibrio, producono onde sonore e onde “ottiche”. Queste onde sono chiamate fononi [dal greco φωνή (phonē), che si traduce in suono o voce], e da allora i fisici della materia sono stati impegnati nel riformulare le equazioni fondamentali della meccanica quantistica in termini di elettroni e fononi. Tuttavia, come trattare elettroni e fononi lontano dalle condizioni di equilibrio e come migliorare sistematicamente i risultati di un calcolo sono rimaste questioni cruciali e irrisolte fino ad oggi.
Il lavoro con protagonisti i docenti dell'Università di Roma Tor Vergata contiene la teoria quantistica di elettroni e fononi e fornisce una soluzione definitiva a questi problemi di lunga data. Uno dei meriti della teoria è la possibilità di migliorare sistematicamente l'accuratezza di un calcolo al fine di prevedere e spiegare le proprietà uniche mostrate dai cristalli.
Commenta il prof. Stefanucci: “Speriamo che il nostro contributo stimoli ulteriori ricerche a livello fondamentale e abbia implicazioni nello sviluppo di software per affrontare le sfide poste dai cristalli di nuova scoperta e da quelli che verranno. Noi - prosegue Stefanucci - ci occupiamo del comportamento quantistico della materia in condizioni di nonequilibrio. Pochi sistemi in natura sono in equilibrio. Ad esempio, dietro l'apparente calma di un cavo di rame le correnti elettriche e termiche scorrono violentemente. Capire gli agglomerati di nuclei e elettroni, quali sono molecole, semiconduttori o metalli, significa predire il loro comportamento attraverso sofisticati metodi di calcolo e simulazioni numeriche”.
L'articolo è raccomandato come “Featured in Physics” e ha inoltre ricevuto un Physics News and Commentary intitolato "Toward a Complete Theory of Crystal Vibrations”, riservato a exceptional research.
Per approfondimenti: Articolo Physics
Foto Credits: J. Berges/University of Bremen