Le leggi quantistiche per scoprire nuovi materiali

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Fino a pochi anni fa la scoperta di nuovi materiali procedeva per tentativi e ancora oggi si scontra coi limiti delle condizioni realizzabili in laboratorio, di tempo e di finanziamenti. Una delle sfide che impegnano la fisica teorica della materia è quella di risolvere con i calcolatori - oggi sempre più potenti - le equazioni che descrivono ciò che accade nei materiali a livello atomico, secondo le leggi quantistiche. Diventa così possibile prevedere le proprietà di un materiale prima ancora di realizzarlo in laboratorio, e progettare materiali che non esistono in natura con le proprietà desiderate. Una ricerca condotta da Stefano Pittalis dell'Istituto nanoscienze del Cnr (Cnr-Nano) e Tim Gould della Griffith University, ha aggiunto un tassello che rende più facile condurre simulazioni di stati della materia finora difficili da trattare.

Le proprietà di un materiale - condurre elettricità, essere flessibile, trasparente, biodegradabile,... - derivano dalle complesse interazioni tra gli atomi che lo compongono. Ma le equazioni matematiche che descrivono gli effetti di tali interazioni sono troppo complesse, impossibili da risolvere anche dai più potenti calcolatori. Vanno semplificate riducendo il numero di dettagli da elaborare. L'approccio a tutt'oggi più efficace per simulare la struttura elettronica della materia è la cosiddetta teoria del funzionale della densità (DFT) - che è valsa il premio Nobel alla fine degli anni 90 a Walter Kohn e John A. Pople. Tramite la DFT si riesce a semplificare il problema “sbrigliando” le suddette interazioni tramite una quantità nota come energia di correlazione. In pratica tuttavia, i calcoli DFT sono un’approssimazione e non la soluzione esatta delle equazioni quantistiche, e valgono solo per gli stati elettronici ad energia più bassa .

Stefano Pittalis e Tim Gould hanno dimostrato che per simulare, con un approccio simile a quello della DFT, stati della materia che includono energie più alte del normale è necessario 'rendiconatare' una nuova forma di energia di correlazione. Lo studio è pubblicato su Physical Review Letters.

"Il punto essenziale nell’approccio che abbiamo adottato", spiega Stefano Pittalis di CnrNANO, "è che simulando stati della materia che comprendono lo stato fondamentale e quelli a energie più elevate, il 'totale' non è dato dalla semplice somma delle parti ma diventa necessario includere una forma aggiuntiva di correlazione, che abbiamo indicato come density-driven correlation". "Un risultato che aiuterà ad allargare gli scenari trattabili con le simulazioni", prosegue Pittalis, "includendo una classe di stati elettronici eccitati, quelli che in assenza di perturbazioni e dissipazioni rimangono stazionari. Questi stati intervengono, ad esempio, in reazioni fotochimiche di assoluta importanza per gli esseri viventi, nella materia sottoposta a condizioni estreme come il plasma, e vengono sfruttati nelle celle solari e nei dispositivi di optoelettronica".

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