Trasporto Quantistico e Sistemi Fortemente Correlati

L’attività di ricerca del gruppo si svolge nell’ambito della fisica dei sistemi a molti corpi e si articola secondo due linee principali:

  1. Le proprietà di trasporto di sistemi elettronici disordinati.
  2. Il diagramma di fase dei sistemi elettronici fortemente correlati.

1 In un materiale conduttore di elettricità, gli elettroni sono relativamente liberi di muoversi e possono essere considerati come costituenti un gas. Questo punto di vista costituisce il punto di partenza della teoria standard del trasporto di Drude-Boltzmann-Sommerfeld. La natura quantistica degli elettroni entra attraverso due aspetti: a) gli elettroni sono descritti da una funzione d’onda e b) seguono la statistica quantistica di Fermi-Dirac. In merito al primo aspetto è sufficiente in molti casi risolvere l’equazione per la funzione d’onda elettronica nel limite semiclassico, semplificando enormemente il problema. Ciò è fisicamente giustificato quando la lunghezza d’onda degli elettroni è piccola rispetto al libero cammino medio. Quando tale condizione non è soddisfatta gli elettroni si trovano in regime di trasporto quantistico, che oggi è possibile realizzare sperimentalmente grazie allo sviluppo delle tecniche litografiche e criogeniche. L’attività del gruppo ha per oggetto lo studio teorico di tale regime, dove l’interferenza quantistica produce, ed esempio, il fenomeno della localizzazione debole responsabile della localizzazione della funzione d’onda elettronica e di una conseguente transizione metallo-isolante. Per un’introduzione a questo tipo di problematiche si può consultare Link identifier #identifier__143195-1qui e Link identifier #identifier__21780-2qui.

Negli ultimi anni l’attività di ricerca si è focalizzata sulla spintronica, dove si utilizza lo spin elettronico per la manipolazione, la trasmissione e l’immagazzinamento dell’informazione. In particolare il gruppo ha studiato il cosiddetto effetto Hall di spin. Tale effetto consiste nella generazione di una corrente di spin pura perpendicolare ad un campo elettrico applicato. Una sintesi di alcuni Link identifier #identifier__165597-3risultati ottenuti dal nostro gruppo la si può trovare in una recente presentazione ad un convegno internazionale. Un introduzione all’effetto Hall di spin si trova in un articolo sul Link identifier #identifier__10380-4Nuovo Saggiatore.

2 Per capire cosa si intende per sistema elettronico fortemente correlato si immagini cosa accade alle funzioni d’onda elettroniche quando si forma un solido. Gli orbitali atomici si ibridizzano e formano dei livelli delocalizzati che sono raggruppati nelle cosiddette bande d’energia. Il motivo per cui si formano tali bande è il grande guadagno di energia cinetica dovuto alla delocalizzazione della funzione d’onda. Maggiore è il guadagno e maggiore è la larghezza di banda. Una grande larghezza di banda implica una grande energia di Fermi tale che gli effetti dell’interazione coulombiana tra gli elettroni sono efficacemente schermati. Se però gli orbitali atomici hanno un carattere molto localizzato (ad esempio quelli delle shells d e f), il guadagno in energia cinetica può essere minore con conseguente diminuzione del’energia di Fermi e dell’efficacia dello schermaggio. In queste condizioni energia cinetica ed interazione competono nel determinare la configurazione elettronica del solido. Infatti se l’energia cinetica trae vantaggio dalla delocalizzazione della funzione d’onda, l’interazione preferisce una situazione opposta in cui gli elettroni localizzati su siti atomici diversi interagiscono molto meno. Il modello di Hubbard rappresenta la schematizzazione più semplice (ma sicuramente non banale) dei sistemi elettronici fortemente correlati. In questa categoria rientrano ad esempio i superconduttori ad alta temperatura critica e i manganiti, che dal punto di vista sperimentale sono oggetto di studio da parte di altri gruppi di questo dipartimento. Per quanto riguarda l’attività recente del gruppo, l’enfasi è sull’intreccio di effetti di accoppiamento elettrone-elettrone ed effetti di accoppiamento elettroni-reticolo. In particolare ci siamo focalizzati sull’effetto di fononi locali ed abbiamo studiato (Link identifier #identifier__81628-5segui questo link) il diagramma di fase del modello di Hubbard-Holstein.

Membri:

Link identifier #identifier__85892-6Roberto RAIMONDI

Collaborazioni

Cosimo Gorini (CEA, France)
Giovanni Vignale (University of Missouri)
Ka Shen (University of Missouri)
admin 26 Ottobre 2020