L’isolante eccitonico, uno stato quantistico della materia teorizzato mezzo secolo fa e a lungo inseguito dai fisici, sembra ora a portata di esperimento. Ricercatori dell’Istituto nanoscienze del Consiglio nazionale delle ricerche (Cnr-Nano) di Modena hanno previsto la possibilità di osservarlo sperimentalmente e in modo inequivocabile nel solfuro di molibdeno a pressioni e temperature raggiungibili in laboratorio.

Il risultato fornisce una strategia per realizzare questo elusivo stato della materia di possibile impatto per future tecnologie quantistiche. Lo studio, condotto in collaborazione con Università di Modena e Reggio Emilia, è pubblicato sulla rivista Proceedings of the National Academy of Science (PNAS).

“Lo stato di isolante eccitonico – spiega Daniele Varsano di Cnr-Nano – si verifica quando in un materiale si formano spontaneamente delle particelle dette eccitoni composte da un elettrone e da una lacuna – la buca lasciata dall’elettrone che si muove nel cristallo – che restano legati poiché hanno carica elettrica opposta.

Realizzarlo in materiali reali ha stimolato in anni recenti un’intensa attività di ricerca, motivata sia dall’interesse per la fisica fondamentale che da potenziali applicazioni nelle future tecnologie quantistiche. Ma la sua osservazione sperimentale rimane elusiva perché mascherata da altri fenomeni”.

Ora i ricercatori di Cnr-Nano attraverso simulazioni basate sulla meccanica quantistica hanno dimostrato che il solfuro di molibdeno, che in condizioni di pressione atmosferica è un materiale isolante convenzionale, sotto l’effetto di forti pressioni e a basse temperature realizza una nuova fase quantistica caratterizzata dalla generazione spontanea e permanente degli eccitoni.

“La transizione da isolante convenzionale a eccitonico – spiega Massimo Rontani di Cnr-Nano – è dovuta solamente al comportamento degli elettroni del solfuro di molibdeno senza alcuna deformazione della struttura del reticolo cristallino, diversamente da quanto accade in altri materiali nei quali le pressioni elevate causano distorsioni del reticolo che impediscono di riconoscere un possibile stato eccitonico. Lo studio dimostra inoltre che il nuovo stato si ottiene per valori di pressione e temperatura accessibili nei moderni laboratori, indicando cosi’ una via per l’osservazione sperimentale dell’isolante eccitonico”.

Le simulazioni che hanno portato a questi risultati, incredibilmente impegnative dal punto di vista computazionale, sono state sviluppate all’interno di MaX-Materials at Exascale, l’infrastruttura europea di eccellenza per il supercalcolo applicato ai nuovi materiali, coordinata da Cnr-Nano di Modena.

AGC GreenCom 6 Aprile 2021 19:30