Materiali multiferroici e sistemi fortemente correlati

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I cosiddetti materiali multiferroici e i sistemi fortemente correlati sono l’avanguardia della ricerca nel campo della fisica della materia condensata in generale, e dei sistemi complessi in particolare, offrendo stimoli affascinanti per la ricerca di base e promettenti applicazioni nelle tecnologie avanzate. Questi materiali presentano proprietà uniche che derivano dall’interazione di più parametri quali il magnetismo e la ferroelettricità, e da forti interazioni tra gli atomi/molecole che li compongono.

Cosa sono

In particolare, i composti multiferroici sono materiali che presentano ordini ferrosi multipli, come ferromagnetismo, ferroelettricità e/o ferroelasticità. Questi ordini hanno origine dalla rottura spontanea di alcune simmetrie nella struttura atomica ed elettronica del materiale che determina proprietà macroscopiche particolari.  A volte la coesistenza e l’accoppiamento di queste proprietà ferroiche danno origine a fenomeni inattesi, spesso affascinanti come l’accoppiamento magnetoelettrico, in cui le proprietà magnetiche possono essere controllate applicando un campo elettrico esterno, o viceversa.

I sistemi fortemente correlati sono materiali in cui le interazioni tra le particelle (come gli elettroni) sono così forti che il tradizionale quadro di particelle indipendenti della fisica della materia condensata non è sufficiente a descriverne il comportamento. Questo forte accoppiamento può portare all’emergere di nuove fasi, punti critici quantistici ed eccitazioni esotiche, rendendo questi sistemi un terreno fertile per l’esplorazione di nuova fisica.

Ricerca di Base e applicata

Lo studio di questi sistemi rappresenta un ambito particolare per testare e perfezionare le teorie della fisica della materia condensata, tra cui la meccanica quantistica, la meccanica statistica e la fisica a molti corpi. Per esempio, l’indagine sui sistemi fortemente correlati ha portato allo sviluppo di nuovi concetti teorici, come i Link identifier #identifier__142019-3Mott Insulators e l’Link identifier #identifier__173428-4effetto Kondo, che hanno ampliato in modo significativo le nostre conoscenze su come gli elettroni interagiscono nei solidi.

Oltre al loro ruolo nella ricerca fondamentale, i composti multiferroici e i sistemi fortemente correlati hanno un grande potenziale per una varietà di applicazioni tecnologiche grazie alle loro proprietà uniche. Alcune delle potenziali applicazioni includono:

  • Spintronica: materiali multiferroici con forte accoppiamento magnetoelettrico, sono candidati promettenti per i dispositivi spintronici, che sfruttano il grado di libertà degli spin degli elettroni per manipolare le informazioni. Questi materiali potrebbero essere utilizzati per creare dispositivi di memoria, sensori e transistor altamente efficienti e a basso consumo energetico.
  • Superconduttività ad alta temperatura: in cui l’effetto superconduttivo si realizza a temperature molto più alte (diverse decine di K) rispetto ai superconduttori convenzionali, superconduttori solo per temperature di pochi gradi K.
  • Informazione quantistica: I sistemi fortemente correlati possono ospitare stati quantistici esotici, come gli isolanti topologici e i liquidi di spin quantistici, che sono piattaforme promettenti per la computazione e la comunicazione quantistica.

La ricerca sui sistemi fortemente correlati ha implicazioni di vasta portata, sia per l’avanzamento della comprensione della fisica fondamentale sia per lo sviluppo di nuove tecnologie all’avanguardia. La ricerca continua in quest’area promette di svelare fenomeni e applicazioni ancora più intriganti, rendendola un campo vivace ed entusiasmante per scienziati e ingegneri.

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Carlo Meneghini 05 Giugno 2023