I materiali bidimensionali

La particolarità dei materiali bidimensionali è che possiedono proprietà che possono essere spiegate solo con l'aiuto delle leggi della meccanica quantistica e che possono essere importanti per le tecnologie avanzate

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Solo centomila volte più sottili di un capello, i materiali bidimensionali, costituiti da un singolo strato di atomi, sono in piena espansione nella ricerca da anni. Sono diventati noti al grande pubblico quando due scienziati hanno ricevuto il Premio Nobel per la fisica nel 2010 per la scoperta del grafene.

Il grafene è un materiale composto da uno strato monoatomico di atomi di carbonio (avente cioè uno spessore equivalente alle dimensioni di un solo atomo). Ha la resistenza teorica del diamante e la flessibilità della plastica.

La particolarità dei materiali bidimensionali è che possiedono proprietà che possono essere spiegate solo con l’aiuto delle leggi della meccanica quantistica e che possono essere importanti per le tecnologie avanzate. 

I ricercatori dell‘Università di Bonn hanno utilizzato atomi ultrafreddi per ricavare informazioni su fenomeni quantistici sconosciuti. I ricercatori hanno scoperto che gli ordini magnetici tra due materiali bidimensionali composti da film sottili di atomi accoppiati competono tra loro. Lo studio è stato pubblicato sulla rivista Nature.

I sistemi quantistici realizzano stati della materia davvero unici provenienti dal mondo dei materiali bidimensionali. Facilitano un’ampia varietà di nuove applicazioni tecnologiche, contribuendo a proteggere la crittografia dei dati, introducendo dispositivi tecnici sempre più piccoli e veloci e consentendo persino lo sviluppo di computer quantistici.

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In futuro, i computer quantistici potrebbe risolvere problemi che i computer convenzionali non possono risolvere affatto o possono risolvere solo impiegando un lungo periodo di tempo.

Materiali bidimensionali, sfida alla fisica quantistica

Il modo in cui sorgono fenomeni quantistici insoliti è ancora lontano dall’essere pienamente compresi. Per scoprirlo, un team di fisici guidati dal Prof.Michael Köhl del Matter and Light for Quantum Computing Cluster of Excellence dell’Università di Bonn sta usando i simulatori quantistici, che imitano l’interazione di diverse particelle quantistiche. Anche i modelli di computer all’avanguardia non sono in grado di calcolare processi complessi come il magnetismo e l’elettricità fino all’ultimo dettaglio.

Il simulatore utilizzato dagli scienziati è costituito da materiali bidimensionali composti da atomi con una temperatura di un milionesimo di grado sopra lo zero assoluto. Gli atomi vengono raffreddati utilizzando laser e campi magnetici. 

Gli atomi si trovano in reticoli ottici, cioè onde stazionarie formate dalla sovrapposizione di raggi laser. In questo modo, gli atomi simulano il comportamento degli elettroni. La configurazione sperimentale consente agli scienziati di eseguire un’ampia varietà di esperimenti senza modifiche esterne.

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All’interno del simulatore quantistico, gli scienziati sono riusciti, per la prima volta, a misurare le correlazioni magnetiche di esattamente due strati accoppiati di un reticolo cristallino realizzato con materiali bidimensionali. 

“Grazie alla forza di questo accoppiamento, siamo stati in grado di ruotare la direzione in cui si forma il magnetismo di 90 gradi, senza cambiare il materiale in nessun altro modo”, spiegano i primi autori Nicola Wurz e Marcell Gall, studenti di dottorato nel gruppo di ricerca di Michael Köhl.

Per studiare la distribuzione degli atomi nel reticolo ottico, i fisici hanno utilizzato un microscopio ad alta risoluzione con il quale sono stati in grado di misurare le correlazioni magnetiche tra i singoli strati del reticolo. In questo modo, hanno studiato l’allineamento reciproco dei momenti magnetici atomici nello stato solido simulato. 

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Hanno osservato inoltre che l’ordine magnetico tra gli strati competeva con l’ordine originale all’interno di un singolo strato, concludendo che gli strati più fortemente erano accoppiati, più le correlazioni si rinforzavano tra gli strati dei materiali bidimensionali. Allo stesso tempo, le correlazioni all’interno dei singoli strati sono state ridotte.

I risultati consentono di comprendere meglio a livello microscopico il magnetismo che si propaga nei sistemi a strati accoppiati. In futuro, i risultati aiuteranno a fare previsioni sulle proprietà dei materiali bidimensionali e a ottenere nuove funzionalità dei solidi. 

Poiché, ad esempio, la superconduttività ad alta temperatura è strettamente collegata agli accoppiamenti magnetici, le nuove scoperte potrebbero contribuire allo sviluppo di nuove tecnologie basate su questi superconduttori.

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