RICERCA ITALIANA     

Programma di ricerca

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

Università di riferimento

Università degli Studi di ROMA "La Sapienza" - FISICA - ()

Responsabile dell'Unità di ricerca

Luciano Pietronero

Descrizione

L'attivita' di ricerca dell'Unita' si propone di approfondire e sviluppare
le connessioni tra le tematiche associate alla fisica dei superconduttori
ad alta temperatura critica e le problematiche emergenti
nei nuovi materiali e/o dispositivi.
Particolare attenzione sara' posta agli aspetti
di coerenza quantistica tra vari gradi di liberta', in particolare
all'interazione elettrone-reticolo e all'insorgere di fenomeni
di coerenza in modelli di gas bosonici e fermionici.
Lo sviluppo del programma di ricerca si avvalera' della
collaborazione coordinata con le altre unita' nella prospettiva
di un costante trasferimento di conoscenze tra gli approcci
teorici sviluppati nello studio dei superconduttori ad alta Tc
e i problemi inerenti ai nuovi materiali.
Lo svolgimento del progetto di muovera'
secondo le seguenti linee di ricerca:


PROCESSI NONADIABATICI DI INTERFERENZA ELETTRONE-FONONE

Una delle caratteristiche degli ossidi rameici ad alta temperatura critica,
cosi' come di altri superconduttori anomali, e' l'evidenza di un'energia
di Fermi estremamente bassa [I1], caratteristica questa in comune anche
con molti sistemi non superconduttori come i materiali organici,
cristalli molecolari, eterostrutture e semiconduttori drogati, etc...
In tale scenario, uno delle assunzioni principali della fisica dello
stato solido, ossia il principio adiabatico di Born-Oppenheimer,
viene meno ed effetti di interferenza coerente tra gradi di liberta'
hanno luogo.
Il programma di ricerca si propone di:
- studiare la possibilita' di una violazione del principio
di Born-Oppenheimer indotta dalle fluttuazioni quantistiche
di punto zero [I4]. Obiettivo della ricerca sara' quindi di stabilire
una base "entangled" dei gradi di liberta' elettrone-fonone
alternativa e piu' appropriata allo studio del problema di quella
di Born-Oppenheimer, appunto. A tal fine verra' utilizzato
una Hamiltoniana di interazione elettrone-fonone semplificato
basato su un modello dinamico di Kronig-Penney che includa
esplicitamente le fluttuazioni quantistiche
del reticolo.
- analizzare le proprieta' nonadiabatiche di nuovi composti
del fullerene recentemente sintetizzati, in particolare
i cosidetti fullereni intercalati con C8H8 [I20].

PROPRIETA' ELETTRONE-FONONE E SUPERCONDUTTIVITA' IN NUOVI MATERIALI

Studio dei composti superconduttivi esagonali: interpretazione di
esperimenti (spettro vibrazionale, superficie di Fermi, accoppiamento
elettrone-fonone, Tc) con calcoli da primi principi (funzionale densità) e
modelli semplici (jellium, tight-binding). In collaborazione con L. Boeri e
O.K. Andersen (Max-Planck-Institut, Stuttgart) e M. Giantomassi (Université
Catholique, Louvain).


PROPRIETA' MULTI-CORPI IN GAS DI ELETTRONI BI E TRI-DIMENSIONALI


Studio di dispositivi bidimensionali con il metodo Monte
Carlo quantistico (effetto del disordine e dello spessore finito dei
dispositivi in sistemi con degerazione di valle e anisotropia di massa).
Sviluppo di metodi nell'ambito del Monte Carlo quantistico: minimizzazione
dell'energia fixed-node; spettro di (piccoli) sistemi
fermionici da funzioni di correlazione in tempo immaginario. In
collaborazione con S. Moroni dell'Unita' di Ricerca V (CNR-INFM).



PROCESSI DI MELTING E FLUTTUAZIONI DI PUNTO ZERO
NEI SOLIDI QUANTISTICI

L'osservazione di un momento di inerzia non classico (NCRI)
nelle fase solida dell'4He [I11-13 ]ha suscitato recentemente
un immenso interesse nella comunita' scientifica.
Inizialmente presentato come evidenza di una fase supersolida,
la dipendenza di tale fenomenologia da ulteriori aspetti non convenzionali,
quali la presenza o meno di bordi di grano [I12] o la dipendenza
dalla concentrazione di 3He [I13], suggerisce la possibilita'
di ipotesi teoriche alternative. In questo quadro
il presente progetto di ricerca si propone di:
- analizzare la compatibilita' tra la fenomenologia del NCRI
e la possibilita' di una fase superfluida stabilita
in una frazione liquida del sistema;
- identificare la natura della componente liquida;
- esplorare la possibilita' di effetti di pre-melting alla superficie
e ai bordi di grano che possano spiegare l'esistenza di un sottile strato
di He liquido sulla superficie dei grani;
- studiare la stabilita' della fase solida dell'elio rispetto
alla presenza di impurezze isotopiche quantistiche (3He), caratterizzate
da fluttuazioni reticolari quantistiche meggiori rispetto
alla fase solida;
Nel quadro cosi' delineato, ulteriore linea di ricerca sara' esplorare
la possibilita' di un carattere bidimensionale della superfluidita'
ai bordi di grano associato con una transizione di Kosterlitz-Thouless.



TEORIA DELL'INFORMAZIONE QUANTISTICA IN SISTEMI
FORTEMENTE CORRELATI


Questa parte del progetto di ricerca riguarda lo studio della
realizzabilita' di stati condensati in sistemi fotonici.
Ci occupiamo in particolare di studiare l'accoppiamento
di due modi della radiazione del campo elettromagnetico,
che possono essere anche individuati nelle due polarizzazioni ortogonali
di uno stesso modo spaziale [I21]. Requisito necessario affinche'
una ipotesi di condensazione possa essere formulata e' la disponibilita'
di un mezzo non lineare soggetto ad effetto Kerr
(non linearità del terzo ordine) insieme con un termine di accoppiamento
forte tra i due modi. Ci si aspetta al variare del valore della costante
di accoppiamento tra i modi lo stato fondamentale del sistema passi
dall'essere lo stato di vuoto nel regime di accoppiamento debole
all'essere uno stato con popolazione macroscopica (condensato di Bose-Einstein)
nel regime di accoppiamento forte. Tale risultato puo' essere ottenuto
realizzando una trasformazione canonica che passa a una descrizione
del sistema in termini di due nuovi modi, definiti rispettivamente come
la somma e la differenza dei due modi originari. La transizione di fase
avviene intorno al valore (punto critico quantistico [I22]) in cui
il parametro di accoppiamento eguaglia la frequenza propria dei fotoni
sotto osservazione. La transizione di fase puo' essere caratterizzata
attraverso lo studio di funzioni di correlazione puramente quantistiche
come l'entanglement [I23,24] che mostrano forti discontinuita'
intorno al punto critico. Nel nostro modello, dal momento che consideriamo
lo stato fondamentale e quindi uno stato puro, l'entanglement puo'
essere studiato attraverso l'entropia di Von Neumann di ciascuno dei due
sottosistemi. Nella fase normale lo stato di vuoto e' ovviamente
fattorizzabile, mentre nella fase anomala la distribuzione dei fotoni
sui due differenti modi porterà con se' un inevitabile carattere non locale.
Se infatti un prodotto di stati coerenti resta uno stato fattorizzato
anche dopo il passaggio ai due modi combinazione lineare, cio' non vale per
gli stati numero, che assumono attraverso la trasformazione canonica peculiari
proprieta' di entanglement. Una proprieta' non del tutto sovrapponibile con
l'assunzione dell'esistenza di un condensato e' rappresentata dall'esistenza
di una fase superfluida, caratterizzata cioe' dall'emergenza di un valor medio
non nullo dell'operatore di creazione (o di distruzione). Dal momento che
si lavora con sistemi a dimensione zero, ci si aspetta da considerazioni
generali che in realta' una fase superfluida non possa essere indotta
spontaneamente. Dato pero' che per sistemi fotonici un campo di rottura
di simmetria puo' essere realizzato fisicamente attraverso l'interazione
con correnti elettroniche classiche [I25], vogliamo considerare
esplicitamente il caso in cui questo campo sia piccolo rispetto ad altri
parametri del sistema, ma sia mantenuto finito, in modo tale da poter
indurre la rottura di simmetria dall'esterno. Possibili sviluppi
di tale ricerca riguardano l'analisi della possibile implementazione
sperimentale nell'ambito dei metodi dell'ottica quantistica del modello
proposto. In particolare, dal momento che gli stati quantistici piu'
facilmente realizzabili sono gli stati coerenti emessi da un laser,
sara' interessante comprendere come l'evoluzione nel tempo di un tale stato
sia influenzata dalla presenza o dall'assenza della fase condensata.
In particolare l'evoluzione per tempi molto brevi potrebbe mostrare
caratteristiche molto diverse al di sotto o al di sopra del punto critico
quantistico. Un problema teorico connesso concerne i metodi di approssimazione
utilizzati per trattare il problema della condensazione [I26].
Se il modello di Bogoliubov [I27] può essere usato solo in caso
di interazione asintoticamente debole, il suo superamento attraverso
la approssimazione di Hartree-Fock-Bogoliubov comporta taluni aspetti
non fisici, come la comparsa di una gap nello spettro di energia [I28].
Vogliamo pertanto formulare una teoria perturbativa che superi questi
comportamenti patologici utilizzando il metodo delle equazioni del moto,
che permette di tener conto di tutti i contributi dello stesso ordine
in maniera coerente e controllata.