RICERCA ITALIANA     

Superconduttivita' e fenomeni di coerenza in materiali non convenzionali e fortemente correlati

Università degli Studi di Roma "La Sapienza"

Abstract

Dopo 20 anni dalla sua scoperta,
il fenomeno della superconduttivita'
ad alta temperatura critica (SATT) rimane uno
dei problemi aperti piu' studiati e difficili
nell'intero panorama delle scienza fisiche.
L'analisi della complessa fenomenologia, non solo
degli ossidi rameici ma anche di altri superconduttori
come i fullereni, il diboruro di magnesio MgB2 etc.,
ha portato inoltre a un ripensamento globale
di concetti di base della fisica
dello stato solido, quali le proprieta' metalliche
in regime di forte correlazione elettronica
e di forte accoppiamento elettrone-reticolo.
Accanto alle tematiche inerenti ai SATT, i continui
progressi tecnologici hanno reso possibile studiare
sistemi fisici in regimi estremi
(bassa dimensionalita', bassa densita' di carica,
forte interazione, bassa concentrazione di disordine
e impurezze) prima inaccessibili.
Tali tematiche hanno portato a una significativa
ibridizzazione tra lo studio del fenomeno
della superconduttivita' ad alta Tc e altri
campi affini della fisica dello stato solido.

In questo quadro il presente progetto di ricerca
riunisce un gruppo di ricercatori che rappresentano
un riconosciuto polo a livello internazionale.
Motivati dalle problematiche poste dalla
fenomenologia dei superconduttori ad alta Tc, ma non solo,
nel corso delgi ultimi anni linee diverse, ma complementari,
di ricerca sono state sviluppate:
lo studio della complessa fenomenologia dei superconduttori
ad alta temperatura critica in relazione alle
loro proprieta' elettrone-fonone e di forte correlazione elettronica,
il ruolo dei processi di coerenza nella
teoria quantistica dell'informazione,
le proprieta' dei gas elettronici e bosonici
a bassa dimensionalita', il ruolo degli effetti polaronici
nei SATT e nei cristalli organici, la natura della
fase supersolida recentemente osservata nell'elio
a basse temperature, la sintesi di composti grafenici
e di altri materiali del carbonio e silicio.
In tutti questi casi,
processi di coerenza quantistica su scala sia macroscopica
che microscopica, affini a quelli evidenziati
nei superconduttori ad alta temperatura critica,
diventano estremamente rilevanti.

Scopo del progetto di ricerca e' di approfondire
lo studio teorico di queste tematiche a partire
da un quadro unitario in cui le attuali conoscenze
e competenze scientifiche nel campo dei superconduttori
ad alta temperatura critica possano contribuire
allo studio di problematiche inerenti ai nuovi
materiali e nuove scoperte, e viceversa.
Il progetto riunisce alcuni dei ricercatori italiani
del piu' alto livello e prestigio sia nazionale che
internazionale, la cui attivita' di ricerca
e la cui cooperazione e coordinamento all'interno
del progetto portera' a un significativo avanzamento
delle conoscenze nel campo della fisica a molti-corpi,
in particolare rispetto ai processi di coerenza
quantistica nei supercondutti a bassa ed lta Tc,
nei sistemi fortemente correlati, e nella
teoria quantistica dell'informazione. <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Luciano Pietronero Università degli Studi di ROMA "La Sapienza"

Obiettivo del Programma di Ricerca

Obiettivo complessivo dell'attivita' di ricerca
e' di studiare i vari fattori che influiscono sulla
coerenza quantistica di vari sistemi di interesse
teorico e applicativo, quali
i superconduttori ad alta temperatura critica,
nuovi materiali superconduttori e non, e molti sistemi elettronici.
Oggetto di studio saranno l'origine di tali processi,
le loro proprieta' e le conseguenza della presenza o assenza di
coerenza quantistica sui medesimi.
Cura fondamentale del progetto
sara' di integrare e coordinare le competenze scientifiche
dei vari Ricercatori coinvolti al fine di favorire
il trasferimento dei risultati, modelli e approcci teorici
tra una linea di ricerca e l'altra.

Piu' in particolare,
individuiamo qui di seguito
gli obiettivi specifici del progetto,
raggruppati per attivita' di ricerca al fine di illustrare
in maniera piu' chiara la struttura organizzativa del progetto:

1 - COMPORTAMENTI ANOMALI DELLO STATO METALLICO E SUPERCONDUTTIVO
NEI SISTEMI FORTEMENTE CORRELATI

Comprensione dei meccanismi di violazione dei paradigmi standard
dello stato metallico (teoria di Landau dei liquidi di Fermi)
e della superconduttivita' (teoria BCS).
In particolare intendiamo studiare
- la criticalita' quantistica
come possibile sorgente di anomalie dello stato metallico e superconduttivo
nelle vicinanze di un ordine di carica.
- piu' in generale come lo stato metallico uniforme puo' generare
disomogeneita' sia su scala microscopica che mesoscopica e come
le fasi ordinate di carica anarmoniche
possano evolvere da modulazioni armoniche.
- le peculiarita' dello stato superconduttivo e degli effetti
di schermaggio delle interazioni forti sull'accoppiamento elettrone-fonone
in prossimita' di una fase isolante di Mott.
- la natura della transizione superfluida di Kosterlitz e Thouless
in bassa dimensionalita', in particolare
in presenza di campi magnetici e di accoppiamenti tra piani.
- la superfluidita' in sistemi di atomi freddi come palestra
per lo studio di accoppiamenti anomali nei solidi.
Accoppiamento Fulde-Ferrel-Larkin-Ovchinnikov, superfluidi polarizzati,
separazione di fase tra superfluidi e atomi polarizzati.
- Superconduttivita' e fasi non convenzionali nei sistemi
elettronici su reticolo triangolare.
Tenteremo anche di stabilire la simmetria della funzione
d'onda di coppia in una possibile fase superconduttiva
nel modello di Hubbard o nel modello t-J[SS19].
-Studio delle funzioni di risposta del modello di Hubbard
bidimensionale. Identificazione delle scale di energia
superconduttive in ottica, Raman e ARPES
- Spiegazione, almeno qualitativa,
dell'effetto di prossimita' gigante [V41]; effetti di diamagnetismo
anomalo sopra Tc [V42]; effetto di Nerst anomalo sopra Tc[V43]
nei superconduttori sotto drogati:

2 - INTERAZIONE ELETTRONE-FONONE E SUPERCONDUTTIVITA'

- studio di effetti nonadiabatici indotti da grandi
fluttuazione quantistiche. Definizione di una nuova
base di stati "entangled" elettrone-reticolo alternativa
a quella di Born-Oppenheimer.
- sviluppo e studio di un modello
generalizzato di Kronig-Penney che consenta
di calcolare analiticamente tali effetti nonadiabatici.
- - studio dettagliato, usando tecniche da principi primi
delle proprieta' di MgB2, CaAlSi, CaC6
e grafite drogata, e di altri su composti della stessa famiglia.
- proposta di un modello per i superconduttori esagonali per
identificare le condizioni di massima interazione
elettrone-fonone, e di massima Tc.

3 - DISORDINE E COMPETIZIONE FRA ORDINAMENTO DI CARICA E SUPERCONDUTIVITA'

- Sviluppo ed analisi di modelli alla Ginzburg-Landau
per studiare la competizione tra onde di densita' di carica (CDW) e
superconduttivita' in presenza di disordine "quenched" negli ossidi
rameici.
- Studio del modello mediante minimizzazione numerica a temperatura
zero e tecniche di Monte Carlo a temperature finite.
- Calcolo dell'elicita' della superconduttivita', delle
proprieta diamagnetiche e delle proprieta' di trasporto
in presenza di campi esterni.
- confronto con la fenomenologia di pseudogap dei superconduttori
ad alta Tc.
- studio della fase apparente di
supersolido nell'elio e delle analogie con la pseudogap dei
superconduttori ad alta Tc
- effetti di prossimita' ed effetto Josephson in sistemi con competizione
fra onde di densita' di carica e di spin come i bismutati.
- competizione tra CDW e SC in miscele di atomi fermionici e
studio della stabilita' della fase supersolida oltre il campo medio.

4 - EFFETTI POLARONICI IN SUPERCONDUTTORI E MATERIALI ORGANICI

- Studio sistematico di modelli dove l'interazione elettrone-reticolo
gioca un ruolo rilevante con particolare riguardo
ai fenomeni di coerenza quantistica.
- Studio delle proprieta' spettrali e di trasporto
di poche buche in un substrato anti-ferromagnetico
in presenza di una interazione con il reticolo.
Interpretazione degli esperimenti ARPES e conducibilita' ottica
nella fase underdoped dei cuprati.
- Comprensione della rilevanza delle interazioni fra le cariche e dei
meccanismi di diffusione intrinseci nei dispositivi FET costituiti da un
cristallo organico in presenza di un gate dielettrico polarizzabile.

5 - METALLIZZAZIONE E PROPRIETA' QUANTISTICHE DELL'IDROGENO LIQUIDO

- Determinazione del meccanismo di dissociazione molecolare
e interplay con le transizioni di fase nell'idrogeno ad alta pressione.
- Determinazione quantitativa della transizione
solido-liquido in idrogeno metallico tramite calcoli di energia libera.
- Transizione di metallizzazione negli elementi alcalini in fase fluida.
- Diagramma di fase dell'idrogeno ad alte pressioni, per determinare e
caratterizzare una possibile fase liquida a basse temperature, stabilizzata
dalla correlazione elettronica.

6 - CONDENSAZIONE DI BOSE E TEORIA QUANTISTICA DELL'INFORMAZIONE

Nell'ambito della ricerca di sistemi mesoscopici "entangled"
si studiera' l'evoluzione di uno stato coerente di fotoni in presenza
di un termine non lineare e di un campo di rottura di simmetria di gauge.
Si intende estendere i risultati ottenuti nell'approssimazione
di Bogoliubov.
La definizione del quadro teorico portera' alla progettazione
di un concreto esperimento.

7 - ETEROSTRUTTURE E GAS DI ELETTRONI A BASSA DIMENSIONALITA'

- Modellizzazione e simulazione di sistemi elettronici bidimensionali
in dispositivi. Studio dell'effetto
della correlazione e dei dettagli del dispositivo, come
il disordine. Questo studio aiutera' a chiarire la relazione
tra le proprieta' di spin e la transizione apparentemente metallo-isolante
osservata nel regime di forte correlazione.

- Trasporto in sistemi mesoscopici.
Ci proponiamo di mostrare che il trasporto in sistemi mesoscopici di elettroni
in 2D puo' essere utilizzato per studiare le regioni di disomogeneita'
elettronica nella fase isolante.
- Vetro di elettroni. Temperature e densita' elettroniche
per la formazione del vetro elettronico e fluttuazioni
dinamiche vicino alla transizione vetrosa.
- proprieta' spin-orbita di gas di elettroni bidimensionali.
Effetti superconduttivi sulle proprieta' spin-Hall;
Correlazione tra effetti elettrone-fonone e spin-orbita.

8 - FENOMENOLOGIA SUPERSOLIDO IN 4He ED EFFETTI DI MELTING
NEI SOLIDI QUANTISTICI

- studio della stabilita' della fase solida e processi di melting
e premelting (melting di superficie
o permelting locale indotto da impurezze quantistiche)
nei solidi quantistici; generalizazione di un modello
microscopico del criterio di LIndemann
- analisi di una possibile fase liquida e superfluida
ai bordi di grano nella fase solida dell'He
- confronto con gli esperimenti.

9 - PROPRIETA' FISICHE DEL GRAFENE E DI ALTRI COMPOSTI
A BASE DI CARBONI E SILICIO

- studio del grafene con particolare riferimento
sia alle sue proprieta' termodinamiche che a quelle elettroniche
e di trasporto.
- Transizione di fase fra le strutture cristalline diamante e betatin
nel Silicio per risolvere una controversia fra teoria (simulazione) e
esperimento. <<<

Risultati parziali attesi

Nel corso dei due anni di progetto intendiamo perseguire
gli obiettivi precedentemente descritti e ottenere
i seguenti risultati:

1 - COMPORTAMENTI ANOMALI DELLO STATO METALLICO E SUPERCONDUTTIVO
NEI SISTEMI FORTEMENTE CORRELATI

- Per quanto riguarda lo studio generale della criticalita'
quantistica si determinera' l'effetto del disordine in sistemi
di fermioni accoppiati con modi critici vicino alla transizione
antiferromagnetica in due dimensioni (2D). La presenza di vertici
singolari nella teoria di campo efficace rende questa analisi delicata,
ma di rilevanza per molti sistemi fortemente correlati. Nel caso piu'
specifico dei cuprati HTSC, intendiamo chiarire alcuni effetti dovuti
alla presenza di un punto critico quantistico per ordinamento di carica
proposto dal gruppo dell'Unita' II. In questo caso verranno analizzati
gli effetti nel trasporto e nelle varie spettroscopie dei modi critici
di caricae si determinera' il ruolo del disordine in spettroscopia Raman
e ottica. Per la fotoemissione intendiamo spiegare nuovi effetti
recentemente scoperti quali anomalie nella superficie di Fermi dei
cuprati HTSC.
- Lo studio delle inomogeneita' di carica nei sistemi correlati si
collega naturalmente all'analisi del punto 1), ma ha anche
un carattere generale e intende rivolgersi allo studio di
modelli "coarse grained" per la formazione difasi inomogenee
e allo studio dell'evoluzione di fasi ordinate di carica con
modulazioni armoniche in fasi fortemente anarmoniche.
3) Considereremo le proprieta' dello stato superconduttivo del
modello di Hubbard bidimensionale quando ci si avvicina allo stato isolante.
In particolare seguiremo le scale energetiche, in relazione agli esperimenti
di spettroscopia Raman e di fotoemissione. Si discutera' la relazione
tra questi risultati e le proprieta' critiche dei modelli di impurezza
associati, verificando l'esistenza di punti critici quantistici locali
nel modello di Hubbard.
Si cerchera' una caratterizzazione analitica delle proprieta' critiche
associate a tali punti critici locali.
Gli effetti della correlazione sull'accoppiamento elettrone-fonone
in sistemi a diversa dimensionalita' verranno caratterizzati.
- Per quanto riguarda lo studio della superconduttivita' in sistemi
a bassa dimensionalita', si chiariranno gli effetti di campi magnetici
in sistemi con transizione alla Kosterlitz-Thouless, gli effetti
di accoppiamenti tra piani (come nei cuprati HTSC) e gli effetti
di paraconduttivita'. In quest'ultimo caso si proseguira'
una collaborazione con un gruppo sperimentale dell'ESPCI
di Parigi per analizzare la presenza e la robustezza di
paraconduttivita' proveniente da fluttuazioni gaussiane
in cuprati sottodrogati.
Si determinera' il diagramma di fase del modello di Hubbard
attrattivo in presenza di effetti di sbilanciamento tra le popolazioni,
diverse masse per i diversi portatori e densita' di portatori.
Il comportamento di un gas fermionico nel limite unitario verra'
studiato considerando il limite di bassa densita' di un modello
di Hubbard attrattivo.
Tutti questi risultati hanno un carattere fondamentale poiche'
accrescono la comprensione dei meccanismi che portano a violazioni
di schemi standard consolidati sia per la fase metallica (la teoria
di Landau dei liquidi di Fermi) che per la fase superconduttivia
(la teoria di Bardeen-Cooper-Schrieffer). Oltre a questo carattere
fondamentale, i risultati attesi spiegano alcuni aspetti del
comportamento di sistemi correlati che possono avere rilevanza
applicativa, come i superconduttori ad alta temperatura, gli ossidi
di transizione con fasi magnetiche (p.es. i manganiticon
magnetoresistenza colossale), sistemi nanostrutturati con
impurezze magnetiche (importanti per la spintronica).
-Si prevede di identificare con chiarezza la presenza di una o
piu' scale di energia nella fase superconduttiva del modello
di Hubbard, per comprendere il ruolo della correlazione
elettronica nella conducibilita' ottica, Roman e
fotoemissione.
- Ci attendiamo di poter simulare in modo accurato il modello di Hubbard e
il modello t-J su reticolo triangolare, introducendo un parametro d'ordine
antiferromagnetico nella funzione d'onda spin liquida stabilizzata in
precedenza [SS17]. Quindi affronteremo le varie tematiche importanti
riguardanti lo spin liquido e la superconduttivita'.

2 - INTERAZIONE ELETTRONE-FONONE E SUPERCONDUTTIVITA'

- l'introduzione di una base di stati entangled elettrone-reticolo
permettera' di identificare i processi nonadiabatici piu'
significativi dovuti alla vilazione del principio di Born-Oppenheimer.
- successivamente, la diagonalizaazione esatta, tramite tecniche
numeriche, dell'Hamiltoniana espressa in tale base consentira'
il calcolo delle proprieta' termodinamiche e elettroniche
del sistema interagente.
- il confronto di tali risultati permettera' di identificare
in maniera dettagliata i processi nonadiabatici nei
superconduttori ad alta Tc, nel MgB2 e in altri composti.
- per quanto riguardo lo studio dei composti grafitici e ternari,
principali risultati saranno: interpretazione di esperimenti
(spettro vibrazionale, superficie di Fermi, accoppiamento elettrone-fonone,
Tc) con calcoli da primi principi (funzionale densita') e modelli semplici
(jellium, tight-binding).
- possibilita' di studiare le proprieta' superconduttive
nel range di composizione e di parametri reticolari che
copre il passaggio dalla situazione di "hole doping" di MgB2
a quella di "electron doping" di CaC6.
Cio' permettera' di identificare le condizioni di massima interazione
elettrone-fonone, e quindi della piu' alta Tc possibile in questa
famiglia di composti.

3 - DISORDINE E COMPETIZIONE FRA ORDINAMENTO DI CARICA E SUPERCONDUTIVITA'

Il modello si propone di descrivere la competizione fra onde di
densita' di cariche, superconduttivita' e disordine nei cuprati in una
situazione dove il costo per passare di una fase alla altra e' piccolo
e il disordine e' una perturbazione rilevante. Ci aspettiamo che dai
nostri risultati si posa fornire una spiegazione, al meno qualitativa,
di diversi esperimenti:
- L'effetto di prossimita' gigante[V41]
- Effetti di diamagnetismo anomalo sopra Tc [V42]
- Effetto di Nerst anomalo sopra Tc[V43].

Inoltre aspetiamo di fornire predizioni di nuovi risultati
esperimentali in altri sistemi con la medesima competizione come i
bismutati. In particolare predizioni per effetti di
prossimita' ed effetto Josephson.

4 - EFFETTI POLARONICI IN SUPERCONDUTTORI E MATERIALI ORGANICI

Per quanto riguarda i sistemi in forte interazione con il reticolo l'analisi
del possibile ruolo che hanno le vibrazioni reticolari aiutera' la comprensione
delle proprieta' ottiche dei superconduttori ad alta temperatura critica.
Mentre infatti le proprieta' di trasporto non sembrano evidenziare un ruolo
delle vibrazioni reticolari, almeno riconducibile a modelli noti, l'analisi
delle proprieta' spettrali indica un ruolo dell'interazione fra i portatori
di carica ed eccitazioni bosoniche. Le peculiarita' che possono evidenziarsi
nel caso che queste eccitazioni siano di tipo reticolare aiuteranno, una volta
confrontate con gli esperimenti, a capire la natura del trasporto nei
superconduttori ad alta temperatura critica.

Nel caso dei cristalli organici la comprensione del ruolo delle vibrazioni
reticolari e con esse del ruolo delle interazioni all'interfaccia nei FET con
gate dielettici ha un diretto impatto tecnologico. La possibilita' di sfruttare
la presenza di gate dielettrici con proprieta' diverse tali da modificare la
mobilita' intrinseca del FET di quasi 3 ordini di grandezza in maniera
riproducibile, apre nuovi orizzonti per la tecnologia di questi dispositivi. La
comprensione dei meccanismi che determinano le proprieta' elettriche di questi
dispositivi allo scopo di migliorale e' una condizione necessaria alla loro
commercializzazione.

5 - METALLIZZAZIONE E PROPRIETA' QUANTISTICHE DELL'IDROGENO LIQUIDO

In riferimento all'idrogeno ad alta pressione, il nostro studio ci permettera'
di predire il diagramma di fase dell'idrogeno ad alta pressione nella regione
di dissociazione molecolare e metallizzazione e in particolare l'esistenza o
meno della fase fluida a bassa temperatura. Questa fase, se confermata sarebbe
un nuovo stato della materia ad oggi non riscontrato in nessun altro sistema
fisico. L'ulteriore sviluppo del codice CEIMC per l'uso di pseudopotenziali,
aprira' la strada all'utilizzo di questo metodo ab-initio per studiare sistemi
con struttura elettronica piu' complessa dell'idrogeno.

- Idrogeno ad alte pressioni, stabilita'
della fase liquida. In seguito cercheremo di studiare in dettaglio il
diagramma di fase da confrontare direttamente con l'esperimento.

6 - CONDENSAZIONE DI BOSE E TEORIA QUANTISTICA DELL'INFORMAZIONE

Al termine del presente studio sara' possibile formulare
una proposta dettagliata per l'osservazione
di stati quantistici fotonici con forti proprieta' di
non localita'. Gli stati entangled definiti su variabili continue
cosi' generati saranno applicabili nel campo della informazione quantistica
e rappresenteranno una alternativa all'uso di stati a singolo fotone
(piccola interazione con altri fotoni) e alle catene di spin
(corti tempi di decoerenza). Ci aspettiamo inoltre di chiarire
il quadro teorico eliminando la gap nello spettro di eccitazione.

7 - ETEROSTRUTTURE E GAS DI ELETTRONI A BASSA DIMENSIONALITA'

- Predirremo la suscettivita' di spin di un gas di elettroni
(EG) bidimensionale (2D) adattato a modellizzare sistemi elettronici
in Si-MOSFET ultrapuliti[SS22] e anche in
dispositivi senza degenerazione di valle[SS24,25], determinando le
caratteristiche dell'eventuale transizione ferromagnetica
in vicinanza della transizione
metallo-isolante e la sua dipendenza da degenerazione di valle e intensita'
del disordine. Sebbene incentrata sui dispositivi FET, che sono alla base
delle moderne reti di comunicazione, questi risultati vanno a toccare
aspetti fondamentali della natura del moto elettronico in due dimensioni.
- Il diagramma di fase del 2DEG con anisotropia di massa in piano ed altre
proprieta' che otterremo sono direttamente rilevanti alle osservazioni
sperimentali in dispositivi in AlAs[SS25-27] e forniranno il primo
benchmark teorico per tali sistemi (in effetti forniranno
il primo risultato quantitativo mai ottenuto).
- Per il sistema mesoscopico, saranno utilizzati i dati della dipendenza
da T della resistivita' [SS32] per determinare la larghezza media
delle giunzioni e l'altezza della barriera. Si potra' cosi` predire
la temperatura di crossover al comportamento metallico. Se il
meccanismo di tunnelling quantistico risultera' corretto, sara'
utilizzato come base per ideare nuovi esperimenti.
- principale risultato dello studio degli effetti spin-orbita
dei gas di elettroni bidimensionali sara' il calcolo del
coefficiente spin-Hall nello stato superconduttivo.
Studi preliminari lasciano sperare che tale quantita' possa essere
finita anche in presenza di impurezze. Tale risultato, se confermato,
aprirebbe nuove prospettive all'applicazione concreta
di tale effetto nei dispositivi elettronici.
- Per il vetro di elettroni, il risultato atteso a'
un progresso nella comprensione fondamentale del vetro a T bassa. Per la
prima volta potranno essere confrontate predizioni e fluttuazioni
dinamiche osservate vicino alla transizione vetrosa apparente.
Saremo in grado di predire le temperature e le densita'
della transizione, dalle quali saremo in grado di predire se un vetro di
elettroni si formi a una temperatura superiore a quella di fusione del
cristallo di Wigner, precludendo agli esperimenti il raggiungimento dello
stato cristallino.

8 - FENOMENOLOGIA SUPERSOLIDO IN 4He ED EFFETTI DI MELTING
NEI SOLIDI QUANTISTICI

Principale risultato dell'attivita' di ricerca di questa linea
sara' la determinazione del diagramma di fase di stabilita'
della fase solida di un solido quantistico rispetto
al melting di "bulk", cosi' come al melting di superficie
e al melting locale attorno ad impurezze isotopiche quantistiche.
Tale risulato permettera' di formulare una teoria alternativa della
del momento di inerzia nonconvenzionale osservata
nel'4He. Un ruolo fondamentale in tale teoria sara' appunto
la possibilita' di avere una componente liquida, e quindi superfluida,
come effetto di melting di superficie ai bordi di grano.

9 - PROPRIETA' FISICHE DEL GRAFENE E DI ALTRI COMPOSTI
A BASE DI CARBONI E SILICIO

- Proprieta' elettroniche, superconduttive
e termodinamiche del graphene "single-layer" e "multi-layer".

- Confronto con i precedenti lavori[SS16] sul Silicio, struttura diamante.
In seguito tratteremo il beta-tin, ai limiti delle possibilita'
attuali laddove si voglia ottimizzare la funzione d'onda [SS3-4]
nell'ambito del QMC. <<<

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

Processi di coerenza quantistica sono alla base della maggior parte
dei piu' importanti aspetti della Fisica della Materia Condensata.
La superconduttivita', la superfluidita' e la condensazione di Bose
rappresentano per esempio solo alcuni dei fenomeni piu'
conosciuti in cui coerenza quantistica e' stabilita su scala macroscopica.
Effetti di correlazione e di interazione
tra i gradi di liberta' elettronici e di reticolo o di spin
possono essere altrettanto rilevanti anche nello stato normale,
sia nei processi di scambio e correlazione che caratterizzano le
proprieta' metalliche dei liquidi di Fermi, sia
in quanto in alcuni casi possono definire un nuovo stato elettronico,
per esempio nel caso di presenza di un punto critico quantistico
o nel caso di insorgenza di una stato di tipo Resonant Valence Bond.
Effetti di coerenza quantistica tra diversi gradi di liberta'
possono essere altrettanto rilevanti nel caratterizzare
le proprieta' dei materiali su scala microscopica.
Essi sono infatti alla base, per esempio, della possibile formazione
di stati legati elettrone-reticolo (polarone di reticolo)
o elettrone-configurazione magnetica (polarone di spin).
Effetti di correlazione a corto raggio risultano
fondamentali nella dissociazione e metalizzazione
di cristalli molecolari come l'idrogeno ad alta pressione.
Va ricordato inoltre che la dimensionalita' gioca un ruolo rilevante
in questo contesto, e i continui sviluppi tecnologici, con
la possibilita' di creare artificialmente eterostrutture a 0,
1, o 2 dimensioni, e la sintesi di nuovi materiali a bassa
dimensionalita' come il grafene o i nanotubi chiamano
per uno studio dettagliato anche di queste problematiche.

Dal punto di vista dello sviluppo della ricerca scientifica,
la scoperta ormai 20 anni fa dei superconduttori ad alta temperatura
critica (SATT), e l'enorme interesse che hanno attratto in questo campo,
hanno costituito una rara e feconda situazione in cui molte,
se non tutte, delle tematiche su menzionate si sono intrecciate
in maniera costruttiva favorendo un travaso di approcci
sia teorici che sperimentali da un campo all'altro.
Per esempio, l'interplay tra processi di coerenza quantistica
su scala macroscopica, quale la superconduttivita' stessa,
e su scala microscopica sono alla base sia dell'insorgere
di disomogeneita' di carica e/o di spin, sia di effetti
elettrone-fonone anomali e polaronici
Ambedue queste caratteristiche sono state osservate nella fase
sottodrogata dei SATT come anche in molti
sistemi a bassa dimensionalita' e a bassa densita' di carica.
La possibilita' di stabilire fluttuazioni locali
superconduttive (o superfluide) senza coerenza macroscopica di fase,
che possano a loro volta soggiacere o meno a una condensazione di Bose,
rappresenta un ulteriore linea di ricerca che unisce lo studio
dei SATT e altri sistemi, come i gas
di elettroni in varie dimensionalita',
strutture reticolari di atomi freddi, e la teoria
dell'informazione quantistica.

Il progetto di ricerca unisce le competenze di vari Ricercatori
di esperienza internazionale che hanno contribuito notevolemente
alla individuazione e allo sviluppo delle tematiche sopra menzionate.

Per quanto riguarda il ruolo della correlazione elettroniche
sulle proprieta' dello stato normale e superconduttivo, per esempio,
l'esistenza di un punto critico quantistico intorno a drogaggio ottimale
nel diagramma di fase dei cuprati e' oggetto di un intenso dibattito,
alcuni di noi hanno dato un contributo significativo
nel corso degli anni. Il tema delle disomogeneita' presenti nei cuprati
e della criticalita' quantistica sono stati infatti unificati
con la proposta di un punto critico quantistico per la formazione
di ordinamento di carica.
Nel corso degli anni questa proposta e' stata arricchita
da analisi fenomenologiche che interpretano vari esperimenti
alla luce di modi critici di carica accoppiati alle quasiparticelle.
Questa tematica si inserisce nel contesto piu' ampio dello studio generale
di disomogeneita' di carica in sistemi correlati.
Una possibile causa di disomogeneita' e' la separazione di fase
frustrata che e' stata proposta e studiata dal nostro e da altri gruppi.

Partendo dall'osservazione che sia i cuprati che altri SATT
come i fullereni presentano stati di Mott
dovuti alla forte correlazione, si sono inoltre individuate
alcune proprieta' generali che consentono ad un sistema di sfruttare
la forte correlazione per favorire il fenomeno superconduttivo,
in evidente contrasto con le aspettative basate sulle teorie standard.
In particolare abbiamo individuato una classe di meccanismi di pairing
che sopravvivono quando il sistema tende a diventare isolante e
pertanto conducono ad un aumento della temperatura critica.
In entrambe le tematiche emerge l'esistenza di piu' scale
di energia associate alla formazione di una gap o pseudogap nello
spettro e alla coerenza superconduttiva. Questo aspetto e' particolarmente
attraente perche' l'esistenza di due diverse scale energetiche
nei cuprati sottodrogati e' messa in evidenza da diversi esperimenti
ed e' uno dei temi piu' dibattuti e di maggior interesse in questo settore.

Altre misure sperimentali sottolineano inoltre una fenomenologia anomala
dell'ordinamento sia superconduttivo
che magnetico e di carica dei SATT.
In questo quadro vanno ricordati: i) l'effetto di prossimita'
gigante, che mostra superconduttivita' sopra Tc
su distanze molto piu' grandi della lunghezza di coerenza;
ii) un diamagnetismo precursore sopra TC osservato in misure di tunnelling;
iii) un effetto Nerst anomalo sopra Tc.
Inoltre recenti misure STM tunnelling di conduttanza sono state interpretate
in termini di una formazione di onde di densita' di carica (CDW)
nei nuclei dei vortici e indica competizione tra CDW
e superconduttivita'. Sempre misure STM presentano
anche chiara evidenza di modulazione di carica nella fase sottodrogata
dei SATT e suggeriscono uno scenario sopra Tc dove
una fase superconduttiva minoritaria coesiste con un altro tipo di ordine.

Effetti a molti-corpi e correlazione elettronica sono fondamentali
anche nello studio di sistemi elettronici a bassa dimensionalita'
e alta mobilita', come le eterostrutture a semiconduttore.
Le loro proprieta', inclusa l'apparente transizione
metallo-isolante[SS22], sono inoltre anche influenzate in modo
significativo da dettagli del dispositivo quali spessore, degenerazione di
valle ed anisotropia di massa[SS24-27]; tali dettagli vanno inclusi in
calcoli teorici accurati[SS28,29].
Un esperimento recente ha utilizzato sistemi mesoscopici e macroscopici di
elettroni in 2D per isolare il trasporto con solo fluttuazioni a corto
raggio nel disordine. La dipendenza della resistivita'
dalla temperatura rivela un sorprendente comportamento metallico per
T&lt;1K anche ad alta resistivita'.
Ci sono alcune osservazioni di dinamica e transizione vetrosa nei sistemi
di elettroni in 2D in presenza di disordine ma molte previsioni teoriche
per una fase vetrosa.
La possibilita' di ottenere un forte accoppiamento spin-orbita
nei gas elettronici bidimensionali controllato da un campo
elettrico esterno ha inoltre portato a un intenso sviluppo dello studio
delle proprieta' di "spintronica", dove lo spin elettronico
gioca il ruolo di bit di informazione al posto della carica.
Lo studio di effetti tipo spin-Hall e'
per esempio uno dei campi aperti nel settore.

Un campo di indagine affine e' complementare a quello della
correlazione elettronica e' lo studio delle proprieta' dell'interazione
elettrone-reticolo nei superconduttori ad alta temperatura critica,
e in generale in sistemi a bassa densita' di carica e bassa dimensionalita'.
Un ruolo importante dell'interazione elettrone-fonone negli ossidi
rameici e' infatti sottolineato da varie recenti osservazioni sperimentali,
quali la presenza del cosidetto "kink" e di un effetto isotopico
anomalo nella dispersione elettronica, effetti isotopici altrettanto
nonconvenzionali nella lunghezza di penetrazione.
In questo quadro oggetto di indagine particolare e' stato il ruolo
della bassa energia cinetica elettronica nella modifica della fenomenologia
dell'interazione elettrone-fonone. Nei ossidi rameici, cosi' come in altri
materiali quali molti composti organici, infatti, la scala energetica
caratteristica elettronica risulta essere dello stesso ordine di quella
fononica, e il principio adiabatico di Born-Oppenheimer
viene meno. Tale scenario porta a una complessa fenomenologia
dell'interazione elettrone-fonone lo studio delle cui caratteristiche e'
alla base dell'attivita' di ricerca di alcuni di noi.
Altrettanto complesso e' inoltre il ruolo dell'interazione elettrone-fonone
in altri composti a bassa temperatura critica, quali il diboruro di magnesio
MgB2, i composti graficiti YbC6, CaC6, e i composti ternari CaAl2~VxSix,
a causa di effetti multibande e di anisotropia.


L'interazione elettrone-reticolo, e il suo interplay con
le interazioni di scambio magnetico e di spin,
e' alla base anche di una intensa attivita' di ricerca nel campo
delle proprieta' polaroniche.
Le misure effettuate nella cosiddetta regione underdoped
dei cuprati SATT drogati p [AQ9,AQ10] e drogati n [AQ11]
non hanno infatti ad oggi una interpretazione univoca.
Diversi meccanismi riconducibili
all'interazione con fluttuazioni magnetiche[AQ12], fononi[AQ13],
fluttuazioni critiche [AQ14] sono stati evocati. In questo ambito si
inseriscono i metodi numerici [AQ16] e semianalitici [AQ15,AQ19] per lo studio
di sistemi reticolari in presenza di forte accoppiamento con le vibrazioni
reticolari [AQ17,AQ18,AQ19,AQ19T] che alcuni di noi,
tramite collaborazioni internazionali, hanno sviluppato. Si sono applicati
questi metodi allo studio delle proprieta' di trasporto polaroniche
[AQ21,AQ22], delle proprieta' spettrali ed ottiche di una singola buca in
una fase antiferromagnetica [AQ19,AQ19T,AQ23,AQ24]. In altro contesto le
conoscenze svilupate nell'ambito del trasporto polaronico [AQfrat1] nei
materiali polarizzabili [AQ25] si sono applicate alla interpretazione di
esperimenti su FET con gate polarizzabile [AQ26].

Lo studio di processi di coerenza quantistica, connesi in particolare
con fenomeni di superfluidita' e condensazione di Bose,
e' anche un campo di indagine che attrae recentemente un notevole
interesse, motivato dalla realizzazione sperimentale di reticoli
artificiali di atomi freddi che soggiaciono a transizioni
metallo/superfluido/isolante, alla scoperta di una fase "supersolida"
nell'4He, e dalle applicazioni di effetti di coerenza nella teoria
quantistica dell'informazione.
Lo sviluppo della ricerca nel campo degli atomi freddi fornisce rappresenta
una formidabile opportunita' di testare modelli che sono solo
parzialmente realizzabili nei materiali reali. E' infatto oggigiorno
possibile progettare sistemi specifici di atomi freddi
con specifiche dimensionalita', massa delle cariche,
interazioni e densita' di particelle.
Questa situazione consente alla comunita scientifica di ripensare
molti degli aspetti della superfluidita' in situazioni particolari,
come nel caso di differenza di massa o popolazione tra diverse specie.

Va inoltre ricordato che la
condensazione di Bose-Einstein e la superfluidita' sono
fenomeni studiati e compresi in sistemi di particelle dotate di massa.
Per quanto riguarda la condensazione e l'esistenza di uno stato
superfluido in sistemi di bosoni privi di massa (fotoni),
esistono studi circa la possibilita' di osservarle per lo piu' basati
sull'uso di geometrie particolari che attribuiscono ai fotoni
stessi una massa efficace. Di qui nasce l'esigenza
di studiare semplici modelli di interazione radiazione-materia
che prevedano tali fenomeni e che siano sperimentalmente implementabili.

Per quanto concerne la fenomenologia dell'elio supersolidi,
le tematiche attualmente aperte riguardano la natura stessa
di tale fenomenologia, ossia se sia in effetti una fase "supersolida"
reale o dovuta a una componente liquida superfluida. Nel secondo caso
l'origine stessa della fase liquida e' oggetto di dibattito.
Elementi interessanti da chiarire sono inoltre la dipendenza
della fenomenologia supersolida dalla presenza o meno di bordi di grano
e dalla concentrazione di impurezze di 3He.

Parallelamente allo sviluppo di approcci analitici, un importante
progresso nelle conoscenze nel campo e' dovuto
allo sviluppo di tecniche numeriche.
Nel corso degli ultimi anni ci sono stati infatti
significativi progressi per la
simulazione di sistemi fortemente correlati su reticolo e su continuo.
In particolare, alcuni di noi
ha certamente contribuito a questo sviluppo anche recentemente
[SS3-5]. Le competenze acquisite nella simulazione numerica, riconosciute
a livello internazionale, sono state indirizzate principalmente per
comprendere le affascinanti proprieta'
fisiche che appaiono quando la correlazione elettronica diventa molto
forte, come la superconduttivita' ad alta Tc,
gli isolanti di Mott, i liquidi di spin, e le proprieta'
di piccole molecole basate sull'atomo di Carbonio, che sono difficili da
trattare con tecniche di campo medio quali l' Hartree-Fock o l' LDA
nell'ambito della teoria del funzionale densita' [SSS-6].

Approcci numerici sono anche applicati nello studio
del diagramma di fase dell'idrogeno ad alta pressione, la cui conoscenza,
nella regione di dissociazione molecolare e metalizzazione, e'
ancora molto parziale [AQ1,AQ2]. Il nostro scopo e' capire in che modo
avviene la trasformazione da cristallo molecolare isolante a cristallo
monoatomico all'aumentare della pressione.
In un primo scenario la due fasi cristalline sarabbero separate da una linea di
transizione del prim'ordine, lungo la quale avviene anche la dissociazione
molecolare, che termina all'aumentare della temperatura in un punto triplo con
la fase fluida. Una seconda possibilita', supportata dall'osservazione recente
[AQ3] di un reentrant melting del cristallo molecolare, e' che
all'aumentare della pressione il cristallo molecolare possa fondere prima di
incontrare la dissociazione molecolare, la dissociazione avvenga in fase fluida
all'aumentare della pressione, e infine il fluido possa ricristallizzare in una
struttura monoatomica metallica [AQ4]. In questo scenario, la regione di
fluido a bassa temperatura costituirebbe una nuova fase della materia: un
liquido metallico vicino al suo stato fondamentale con la possibilita' di fasi
superconduttrici e superfluide [AQ4]. La previsione teorica quantitativa
del diagramma di fase richiede tecniche ab-initio in grado di considerare
accuratamente la correlazione elettronica e la natura quantistica dei
protoni[AQ5, AQ4]. Da diversi anni alcuni di noi sono impegnati nello
sviluppo di un nuovo metodo ab-initio con tali requisiti: il Coupled
Electron-Ion Monte Carlo (CEIMC)[AQ6]. La peculiarita' del CEIMC e'
l'utilizzo del Monte Carlo Quantistico che fornisce proprieta' elettroniche
piu' accurate dei metodi basati sulla teoria del funzionale densita'. Abbiamo
fin qui applicato il CEIMC per studiare il melting del cristallo protonico in
fase metallica e la dissociazione molecolare in fase fluida [AQ7,AQ8].

Un straordinario ponte metodologico tra tecniche numeriche
e approcci analitici e' inoltre constituito dallo sviluppo della cosidetta
teoria di campo medio dinamico (DMFT), in cui un problema
su un reticolo viene "mappato" analiticamente in un problema
a zero dimensioni la cui soluzione puo' essere o numerica o anch'essa
analitica. Nonostante i sui straordinari successi, tale tecnica presenta
tuttavia alcune limitazioni che si stanno oggigiorno superando
grazie generalizzazione di tale teoria su clusters.
Oggidi' la teoria DMFT puo' essere usata sia come tecnica di indagine
di modelli teorici, sia, in combinazione con tecniche di Teoria
del Funzionale Densita', per l'analisi dettagliata delle
proprieta' di materiali reali fortemente correlati come V2O3 o come
i superconduttori ad alta Tc. <<<