I cosiddetti “materiali kagome” sono una nuova tipologia di materiali quantistici caratterizzati da particolari proprietà magnetiche, topologiche e superconduttive, che prendono il nome dalla somiglianza con la trama di fili di bamboo intrecciati che compongono un tradizionale cesto giapponese. Proprio questi materiali sono stati utilizzati da un gruppo di ricerca internazionale guidato dall’Università di Bologna per misurare l’avvolgimento degli elettroni nella materia, ovvero la curvatura dello spazio in cui vivono e si muovono gli elettroni. I risultati ottenuti sono stati pubblicati su Nature Physics e potrebbero portare a un completo rinnovamento delle metodologie utilizzate per studiare i materiali quantistici e allo sviluppo di queste tecnologie, che possono trovare applicazione in svariati campi tecnologici, dalle energie rinnovabili alla biomedicina, dall’elettronica ai computer quantistici.
“Se prendiamo due oggetti come una palla da calcio e una ciambella, notiamo che le loro forme specifiche determinano proprietà topologiche differenti, ad esempio perché la ciambella possiede un buco, mentre il pallone da calcio no”, ha spiegato Domenico Di Sante, docente del Dipartimento di Fisica e Astronomia “Augusto Righi”. “Allo stesso modo, il comportamento degli elettroni nei materiali è influenzato da certe proprietà quantistiche che ne determinano l’avvolgimento nella materia in cui si trovano, in maniera simile a come la traiettoria della luce nell’universo viene modificata dalla presenza di stelle, buchi neri, materia ed energia oscura, che piegano il tempo e lo spazio”.
La misura dell’avvolgimento degli elettroni, relativo al concetto di topologia, è stata effettuata utilizzando tecniche sperimentali avanzate, che utilizzano la luce generata da un acceleratore di particelle, e grazie a moderne tecniche di modellizzazione del comportamento della materia. Il gruppo di ricerca ha compreso anche esperti del CNR-IOM di Trieste, dell’Università Ca’ Foscari di Venezia, dell’Università degli Studi di Milano, dell’Università di Würzburg (Germania), dell’Università di St. Andrews (UK), del Boston College e dell’Università di Santa Barbara (USA).
Più in particolare, per misurare direttamente l’avvolgimento topologico degli elettroni, i ricercatori hanno utilizzato il dicroismo circolare, una tecnica sperimentale legata all’utilizzo di una sorgente di sincrotrone e che sfrutta la capacità dei materiali di assorbire la luce in modo diverso in funzione della loro polarizzazione.
“Questi importanti risultati sono stati possibili grazie a una forte sinergia tra la pratica sperimentale e l’analisi teorica”, ha aggiunto Di Sante. “I ricercatori teorici del team hanno infatti impiegato sofisticate simulazioni quantistiche, possibili solo grazie all’utilizzo di potenti supercalcolatori, e hanno in questo modo guidato i colleghi sperimentali verso la specifica zona del materiale nella quale era possibile misurare l’effetto legato al dicroismo circolare“.
