Engineering the future on the atomic scale in quantum materials

Martedì 13 ottobre alle 21, nell’aula Bernardi del Collegio Ghislieri, nuovo appuntamento del ciclo La fisica svelata – Quantum Matters con la conferenza Engineering the future on the atomic scale in quantum materials di Erik van Heumen, associate professor dell’Institute of Physics dell’Università di Amsterdam. L’incontro sarà introdotto da Vittorio Bellani dell’Università di Pavia.

Per cambiare il futuro, forse bisogna prima imparare a guardare la materia da molto più vicino. Non abbastanza vicino da vederla soltanto: abbastanza vicino da poter intervenire sui suoi comportamenti più profondi, là dove elettroni, spin, simmetrie e interazioni collettive producono proprietà che nessun singolo atomo possiede da solo. È questa la frontiera dei quantum materials, studiati da Erik van Heumen. Il punto di partenza è una delle grandi trasformazioni della fisica contemporanea: la materia non è più soltanto qualcosa da descrivere, ma un sistema che può essere studiato, manipolato e progettato sfruttandone gli effetti quantistici. Il cluster Quantum Materials dell’Università di Amsterdam riunisce proprio ricerche dedicate a materiali nei quali fenomeni quantistici determinano proprietà elettroniche, magnetiche, ottiche e fotoniche particolari. «Van Heumen – spiega il prof. Bellani, moderatore e curatore dell’iniziativa – si occupa in particolare di spettroscopia della materia quantistica. Il suo gruppo utilizza la luce per sondare le proprietà elettroniche dei materiali, lavorando su sistemi complessi come superconduttori ad alta temperatura critica, ossidi e dicalcogenuri di metalli di transizione. Le tecniche impiegate comprendono spettroscopia ottica nel vicino e lontano campo, spettroscopia magneto-ottica e tecniche di microscopia e fotoemissione».

Detto in modo più semplice: invece di limitarsi a chiedere “di che cosa è fatto questo materiale?”, la ricerca contemporanea può chiedere che cosa succede quando lo illuminiamo, quando lo portiamo a temperature estreme, quando modifichiamo le sue condizioni fisiche. E soprattutto perché, in determinate circostanze, gli elettroni si comportino come una collettività capace di produrre stati della materia completamente nuovi. È qui che entrano in gioco alcuni dei fenomeni più affascinanti della fisica contemporanea: la superconduttività, le fasi topologiche, la materia fortemente correlata. Sono fenomeni nei quali le proprietà del sistema non possono essere comprese semplicemente sommando il comportamento delle singole particelle. Il collettivo diventa più importante del singolo elemento.
La topologia, per esempio, permette di descrivere proprietà che rimangono robuste anche quando il sistema viene deformato senza che se ne alteri la struttura fondamentale. I materiali topologici hanno così aperto una nuova area di ricerca, nella quale geometria, meccanica quantistica e proprietà elettroniche si incontrano. Van Heumen insegna proprio questi temi nei percorsi avanzati di fisica della materia e studia sperimentalmente anche le fasi topologiche e la superconduttività ad alta temperatura.

«Il titolo della conferenza – chiarisce Bellani – parla di “engineering”, progettazione. Ed è forse questa la parola decisiva. Perché conoscere la materia alla scala atomica e quantistica significa anche immaginare materiali con proprietà nuove: per l’energia, l’elettronica, la sensoristica, l’informazione e le tecnologie del futuro». La sfida, naturalmente, è enorme. Ma è proprio nelle dimensioni che non possiamo vedere a occhio nudo che si giocano alcune delle trasformazioni tecnologiche più importanti dei prossimi decenni. La materia, in altre parole, non è soltanto ciò di cui è fatto il mondo. Può diventare ciò con cui costruire il mondo che verrà.

L’incontro è riconosciuto dalla Scuola IUSS di Pavia quale attività formativa extra-ambito dei Corsi ordinari.

Qui la locandina dell’evento