Fisica della Materia Teorica: materia condensata, proprietà quantistiche
Questo ambito di ricerca in teoria della materia riguarda le proprietà quantistiche e le correlazioni in materia condensata, in particolare gli stati elettronici nei solidi (proprietà elettroniche, ottiche e di trasporto), le eccitazioni elementari (plasmoni, eccitoni, polaritoni, …), i sistemi a molti corpi, gli effetti di forte correlazione.
Sistemi a molti corpi e fortemente correlati -
In fisica della materia condensata esiste una grande classe di sistemi fisici in cui le interazioni mutue tra le particelle costituenti sono tali da non consentire una trattazione teorica di campo medio, la quale assume che ciascuna particella sia soggetta ad un potenziale effettivo generato da tutte le altre. Lo stato quantistico di un tale sistema a molti corpi, caratterizzato da effetti di forte correlazione, non può essere adeguatamente descritto come semplice prodotto di stati di particella singola.
Il Dipartimento di Fisica è attivo nelle ricerche di carattere teorico-computazionale che riguardano le proprietà ottiche e di trasporto in solidi e nanostrutture in presenza di elettroni fortemente interagenti, e delle transizioni di fase quantistiche in sistemi fisici fortemente correlati ed in diverse dimensionalità, quali ad esempio i sistemi Kondo, i gas monodimensionali (Tonks-Girardeau, Tomonaga-Luttinger), il gas di elettroni bidimensionale in campo magnetico (effetto Hall quantistico). Una linea di ricerca più recente si propone di descrivere i sistemi ottici fortemente non-lineari come sistemi a molti corpi fuori equilibrio, detti anche sistemi fotonici fortemente correlati.
Elettrodinamica quantistica in cavità -
L’interazione tra un singolo atomo e il campo elettromagnetico in cavità rappresenta un paradigma per lo studio della interazione tra la radiazione e la materia nel suo limite quantistico. Recentemente, oltre all’interesse di carattere fondamenale, tali sistemi si propongono come possibili elementi di computazione e informazione quantistica, come mostra l’attribuzione del premio Nobel per la Fisica 2012 a Serge Haroche e David Wineland “for ground-breaking experimental methods that enable measuring and manipulation of individual quantum systems”. Tale paradigma viene oggi riprodotto in una grande varietà di sistemi a stato solido, dalle nanostrutture di semiconduttore nella regione dell’infrarosso, ai risuonatori a superconduttore (v. figura) nella regione delle microonde.
Il dipartimento di fisica è attivo nello studio degli aspetti teorici e fondamentali dell’elettrodinamica quantistica in cavità a stato solido, inclusi atomi artificiali in microcavità fotoniche oppure qubits in cavità a superconduttore, e nell’esplorazione dei possibili sviluppi applicativi, es. nell’ambito della realizzazione di laser senza soglia o di dispositivi quantici per l’informazione quantistica.
Eccitazioni elementari in materia condensata - Il sistema elettronico nei solidi dà origine a vari tipi di stati eccitati collettivi, detti “eccitazioni elementari” o “quasiparticelle”, in quanto si comportano come le particelle elementari nel vuoto quantistico. Fra queste eccitazioni elementari vi sono gli eccitoni (ossia gli stati legati di elettrone e lacuna negli isolanti e nei semiconduttori), i plasmoni di volume e di superficie (ossia le oscillazioni collettive di carica nei metalli), i polaritoni (ossia le quasiparticelle derivanti dall’interazione di eccitoni e plasmoni con la radiazione elettromagnetica). Nel dipartimento di fisica è attivo lo studio delle proprietà quantistiche di eccitoni, plasmoni e polaritoni, con enfasi sugli sviluppi più recenti riguardanti i plasmoni di superficie in nanostrutture metalliche: infatti, l’uso dei surface plasmon polaritons permette di manipolare la radiazione elettromagnetica su scala nanometrica superando l’usuale limite di diffrazione e ottenendo modi quantizzati con volume effettivo estremamente piccolo. Vi è inoltre una linea di ricerca sul plasmone di Josephson in superconduttori ad alta temperatura critica (cuprati quali YBCO o BSCCO), di notevole interesse in quanto il tunnelling di Josephson fra piani Cu-O distinti produce plasmoni a bassa energia (nel Terahertz o nel medio infrarosso) che sembrano essere correlati con l’aumento della Tc in supeconduttori multilayer.
Partecipanti: L.C. Andreani, D. Gerace, M. Liscidini