Elettra Sincrotrone Trieste e materiali quantistici: scoperto un nuovo stato della materia

Un gruppo internazionale di ricerca ha scoperto un nuovo stato della materia contraddistinto dall’esistenza di un fenomeno quantistico chiamato corrente chirale. Tali correnti sono generate su scala atomica da un movimento cooperativo di elettroni, che è all’origine della nuova fase della materia appena scoperta. Diversamente, le proprietà dei materiali magnetici convenzionali hanno origine dalla caratteristica quantistica degli elettroni nota come “spin” e dal loro ordinamento nel cristallo.

La nuova scoperta, pubblicata sulla prestigiosa rivista Nature, arricchisce in modo significativo la nostra conoscenza sui materiali quantistici, in particolar modo sulla ricerca di fasi quantistiche chirali e sui fenomeni che avvengono alla superficie dei materiali.

La chiralità: lo studio

La chiralità è una proprietà di estrema importanza nelle scienze, per esempio è anche fondamentale per capire il Dna. La rivelazione dell’esistenza di questi stati quantistici può aprire la strada per lo sviluppo di un nuovo tipo di elettronica che impieghi correnti chirali come portatori di informazioni al posto della carica dell’elettrone. Inoltre, tali fenomeni potrebbero avere un importante risvolto per applicazioni future basate su nuovi dispositivi optoelettronici chirali e un grande impatto nel campo delle tecnologie quantistiche per nuovi sensori, così come nel campo biomedico ed in quello delle energie rinnovabili.

Nel fenomeno quantistico scoperto la chiralità delle correnti è stata rilevata studiando un processo di interazione tra luce e materia, nel quale un fotone opportunamente polarizzato è in grado di emettere un elettrone dalla superficie del materiale con uno stato di spin ben definito.

Nato da una predizione teorica, questo studio ha verificato in modo diretto e per la prima volta l’esistenza di questo stato quantistico, fino ad ora enigmatico ed elusivo, grazie all’utilizzo di Elettra Sincrotrone Trieste. La sua osservazione sulle superfici dei solidi lo rende estremamente interessante per lo sviluppo di nuovi dispositivi elettronici ultra sottili.

"Lo studio - spiega Federico Mazzola del CNR IOM attivo nell’Area Science Park di Trieste, primo autore dell’articolo - è stato possibile grazie ad una combinazione di tecniche unica: luce polarizzata prodotta da Elettra Sincrotrone Trieste e le stazioni sperimentali del CNR e NFFA, dove sono impiegate le tecniche spettroscopiche più avanzate al mondo. Il gruppo di ricerca, che comprende partner nazionali e internazionali tra cui l’Università Ca‘ Foscari di Venezia, l’Istituto Spin e l’Istituto Officina dei Materiali del CNR e l’Università di Salerno, ha investigato il fenomeno su un materiale già noto alla comunità scientifica per le sue proprietà elettroniche e per applicazioni di spintronica superconduttiva, ma la nuova scoperta ha un respiro più ampio, essendo molto più generale ed applicabile ad una vasta gamma di materiali quantistici. Questi materiali stanno rivoluzionando la fisica quantistica e l’attuale sviluppo di nuove tecnologie, con proprietà che vanno ben oltre quelle descritte dalla fisica classica”.
 
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Gli Enti che hanno partecipato allo studio sono:

• Department of Molecular Sciences and Nanosystems, Ca’ Foscari University of Venice, Venice, Italy;
• Istituto Officina dei Materiali, Consiglio Nazionale delle Ricerche, Trieste, Italy;
• Institute of Theoretical Physics, Jagiellonian University, Kraków, Poland;
• International Centre for Interfacing Magnetism and Superconductivity with Topological Matter, Institute of Physics, Polish Academy of Sciences, Warsaw, Poland;
• Dipartimento di Fisica “E. R. Caianiello”, Università di Salerno, Fisciano, Italy;
• Istituto SPIN, Consiglio Nazionale delle Ricerche, Fisciano, Italy;
• Synchrotron SOLEIL, Saint-Aubin, France;
• Department of Physics and Astronomy, Interdisciplinary Nanoscience Center, Aarhus University, Aarhus, Denmark;
• Dipartimento di Fisica, Politecnico di Milano, Italy;
• Dipartimento di Fisica, Università degli Studi di Milano, Italy;
• Department of Physics and Astronomy, Seoul National University, Seoul, Korea;
• Istituto SPIN, Consiglio Nazionale delle Ricerche, Naples, Italy.