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Gruppo di
Fisica quantistica della materia
Dipartimento di Fisica

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Temi di ricerca

-MATERIALI A BASE DI CARBONIO

-SPIN-SPLITTING E NANOLEGHE METALLICHE

-SISTEMI FORTEMENTE CORRELATI

MATERIALI A BASE DI CARBONIO

Nell’ambito della ricerca su materiali innovativi, il gruppo dedica parte delle sue attività sperimentali allo studio delle proprietà elettroniche e alla realizzazione di sistemi-modello di superfici a base di grafene. Il grafene, un monostrato di atomi di carbonio rigidamente allocati in un reticolo a nido d'ape bidimensionale, è un semiconduttore a "gap" nullo ambipolare recentemente isolato, che ha generato un enorme interesse (i) per via della nuova sorprendente fisica che emerge in questo materiale, fisica che è in ultima analisi legata al particolare comportamento delle sue quasiparticelle di bassa energia, governate dall'equazione di Dirac-Weyl, e (ii) per via della sua potenzialità come nuovo materiale per la tecnologia elettronica. Il grafene è il materiale più sottile ed è tra i più leggeri che esistono; è incredibilmente denso, trasparente, resistente allo stress (1.000 volte più dell’acciaio), efficiente come conduttore di calore ed elettricità, resistente alla temperatura. Le sue applicazioni vanno dall’elettrodinamica alla chimica-fisica e organica, ai semiconduttori e alla produzione di schermi. La scoperta del grafene nel 2004 da parte di Andre Geim e Kostantin Novoselov dell’Università di Manchester è valsa ai due scienziati russi il Nobel per la fisica nel 2010. Da allora il grafene ha dimostrato in laboratorio un potenziale talmente elevato da guadagnarsi l’appellativo di “materiale delle meraviglie” , e la UE ha stanziato un miliardo di euro per svilupparne la ricerca nell’arco dei prossimi 10 anni.

Obiettivo dell’attività sperimentale condotta dal gruppo è quello di studiare le proprietà elettroniche e strutturali di campioni a singolo e multi-strato di grafene, prevalentemente cresciuti o depositati su metalli di transizione, mediante tecniche di spettroscopia fotoelettronica e assorbimento di fotoni, tra cui Ange-Resolved PhotoEmission Spectroscopy (ARPES) e Near Edge X-ray Absorption Fine Structure (NEXAFS).

L’analisi dei meccanismi microscopici che determinano la correlazione tra la configurazione elettronica e la geometria atomica, e al contempo la progettazione di nuovi aggregati, viene inoltre supportata da studi strutturali di Scanning Tunneling Microscopy (STM), e modelli teorici basati su calcoli da principi primi Density Functional Theory (DFT).

SPIN-SPLITTING E NANOLEGHE METALLICHE

Lo studio della struttura a bande di alcune leghe metalliche (per esempio Pb-Bi-Sb coadsorbiti su superfici di Ag) mediante Ange-Resolved PhotoEmission Spectroscopy (ARPES), Scanning Tunneling Microscopy (STM) e modelli teorici di Density Functional Theory (DFT) ha consentito di individuare uno spin-splitting della banda elettronica prossima al livello di Fermi dovuto all'effetto congiunto (effetto Rashba) di interazione spin-orbita di elementi ad elevato numero atomico Z e rottura della proprietà di simmetria di inversione presenti in tali composti. La Hamiltoniana di Rashba dipende linearmente dal momento dell’elettrone, di conseguenza l’effetto Rashba si manifesta negli stati elettronici con una dispersione peculiare delle bande. Questa dispersione è facilmente misurabile tramite la tecnica ARPES. In particolare, il sistema Pb/Ag(111) ha consentito di individuare per la prima volta l'effeto Rashba in tali leghe (Phys. Rev. B 73, 245429, 2006). Successivamente abbiamo studiato i sistemi Bi/Ag(111) (Phys. Rev. Lett 98, 186807, 2007) in cui l'effetto Rashba è molto più pronunciato per il maggior peso atomico dell'adsorbato, e i sistemi misti Pb+Bi/Ag(111) (Phys. Rev. B 77, 081407(R), 2008; Phys. Rev. B 75, 201401(R), 2007) in cui è possibile modificare l'energia di legame della banda di interesse e l'intensità dell'effetto Rashba agendo sulla quantità relativa dei due adsorbati. Tali studi hanno consentito di individuare una nuova classe di materiali utilizzabili nel campo della spintronica, vale a dire per i quali è possibile distingure stati elettronici con diverso spin, in tal caso agendo sulla chimica e sulla morfologia della lega.

SISTEMI FORTEMENTE CORRELATI

Parte della nostra attività di ricerca è dedicata alla studio di materiali cosiddetti fortemente correlati, che manifestano forti interazioni tra i loro costituenti fondamentali (elettroni e ioni). L’insieme di molte particelle legate da interazioni forti si comporta in maniera radicalmente diversa dalla singola particella o da una semplice sovrapposizione delle singole, modificando alcune proprietà elementari (massa, carica, spin) e dando luogo ad esotici effetti quantistici cosiddetti di quasiparticle. Gli effetti che si manifestano in questi materiali (tra i quali cuprati e nichelati) vanno dal magnetismo alla magnetoresistenza, dall’ordine spontaneo di carica alla superconduttività ad alta temperatura. I modelli teorici sin ora sviluppati e le misure sperimentali acquisite sugli stati elettronici di tali materiali sono di fondamentale importanza e al contempo non esaustivi nella comprensione di tali fenomeni.