Il lato morbido della materia dura

(Sapienza Università di Roma). Una ricerca Sapienza ha aperto una nuova prospettiva nello studio della “hard condensed matter’’, e cioè la fisica che studia la materia allo stato solido e le sue proprietà elettroniche.

Gli elettroni nei materiali solidi possono trovarsi in diversi stati, le cosiddette fasi, che conferiscono al materiale proprietà molto diverse. Si possono avere fasi elettroniche isolanti, conduttrici, come nei metalli conduttori, oppure fasi superconduttrici, in cui la resistenza elettrica è nulla, fasi magnetiche etc.

Attualmente la hard condensed matter, dedica molta attenzione ai sistemi dove convivono o competono diverse fasi elettroniche. La comprensione di questi sistemi ha una grande importanza sia concettuale che applicativa, perché si possono creare stati elettronici con proprietà nuove, enfatizzare alcune proprietà creando, ad esempio, superconduttività ad alta temperatura, e permettere facili, rapidi e controllabili cambiamenti delle proprietà elettroniche.

In questo ambito il fenomeno messo in luce di recente è l’emergere di una “morbidezza” elettronica: quando fasi con diverse densità elettroniche competono, si creano fluttuazioni che generano disomogeneità, perché gli elettroni si addensano in alcune regioni e si diradano in altre. Nasce così la materia elettronica soffice, in cui gli elettroni si possono ordinare secondo modalità molto simili ai sistemi della materia soffice tradizionale, come ad esempio i cristalli liquidi usati negli schermi, nei displays etc.

Una prima conferma sperimentale emerge in particolare dallo studio condotto da fisici della Sapienza e del CNR e apparso su Nature Communications, che si sofferma su superconduttori ad alta temperatura, chiamati cuprati a causa del rame presente nella loro composizione chimica. Nel regime in cui sono presenti pochi elettroni che trasportano corrente, competono due diversi stati elettronici, quello in cui gli elettroni si vogliono ordinare per formare uno stato magnetico isolante e quello in cui gli elettroni vogliono muoversi per formare un metallo superconduttore. In questa situazione gli elettroni formano una nuova fase, quella definita dai ricercatori “ferro-nematica”, in cui la materia soffice elettronica polimerizza dando luogo a “macromolecole’’ formate da elettroni che si allineano in segmenti, ordinati per direzione e verso come fanno i ben noti cristalli liquidi.

“Le molecole oggetto della materia soffice tradizionale si possono considerare come degli oggetti non quantistici, e immaginarli come insiemi di atomi-palline; gli elettroni nei solidi sono intrinsecamente quantistici e vanno immaginati come ‘onde’: per questo è sorprendente che abbiano proprietà così simili alle molecole – spiega uno dei ricercatori del team Sapienza, il fisico Marco Grilli – La cosa interessante che emerge dalle nostre ricerche è che questi fenomeni di ‘morbidezza elettronica’ sembrano comuni e diffusi in materiali diversi, tanto da poter teorizzare una vera e propria nuova fase della materia”.

Un altro tassello in questa direzione è emerso nello studio di altri superconduttori ad alta temperatura, i pnictidi, cosi chiamati per la presenza di arsenico nella loro composizione chimica. La ricerca pubblicata su Nature Physics e svolta in collaborazione tra gli stessi fisici della Sapienza e un gruppo sperimentale tedesco ha mostrato che anche in questi materiali uno stato debolmente metallico con fluttuazioni magnetiche crea uno stato elettronico soffice con strutture ordinate lungo certe direzioni.

“La conoscenza e la capacità di intervenire su questo stato della materia aprirebbero quindi una nuova direzione per la fisica della materia dura in cui l’emergente materia elettronica soffice può venire manipolata” – continua Grilli, docente di Materia Condensata – “Questo apre nuove possibilità nell’uso di materiali con elettroni soffici per dispositivi di alta tecnologia: la plasmabilità della materia elettronica soffice potrebbe, infatti, trovare moltissime applicazioni nel campo della microelettronica e portare a realizzare nuovi transistor ultraveloci, superconduttori e rivelatori di luce ultrasensibili”.

Riferimenti:

[1]Electronic polymers and soft-matter-like broken symmetries in underdoped cuprates; M. Capati, S. Caprara, C. Di Castro, M. Grilli, G. Seibold, and J. Lorenzana; Nature Communications 6, 7691 (2015), doi:10.1038/ncomms8691 [2]Critical spin fluctuations and the origin of nematic order in Ba(Fe1−xCox)2As2; F. Kretzschmar, T. Boehm, U. Karahasnovic, B. Muschler, A. Baum, D. Jost, J. Schmalian, S. Caprara, M. Grilli, C. Di Castro, J. G. Analytis, J.-H. Chu, I. R. Fisher, and R. Hackl,; Nature Physics, doi: 10.1038/NPHYS3634, (2016)