Ricerca | Fisica Teorica della Materia

Fenomeni quantistici, topologia e trasporto in sistemi a bassa dimensionalità

[Roberta Citro, Francesco Romeo, Claudio Guarcello, Alfonso Maiellaro, Mattia Trama]

I sistemi a bassa dimensionalità, in cui le dimensioni sono piccole abbastanza da confinare la funzione d’onda quanto-meccanica di elettroni ed atomi, esibiscono i più svariati ed intriganti fenomeni della fisica della materia condensata. Durante l’ultimo ventennio l’interesse verso i sistemi quantistici di bassa dimensionalità è stato alimentato da continue sorprendenti scoperte, dalla realizzazione di nanodispositivi elettronici, e dalle potenziali applicazioni nelle tecnologie quantistiche. Il gruppo ha concentrato le sue attività teoriche sul paradigma dei sistemi a bassa dimensionalità, dove le “nanostrutture” (realizzate con superconduttori o nuovi materiali) possono essere ingegnerizzate su scala atomica. Abbiamo anche sviluppato studi su sistemi di interesse per le simulazioni quantistiche, come atomi freddi immersi in reticoli ottici. Altri materiali di bassa dimensionalità che hanno ricevuto considerevole interesse, sin dalla loro scoperta meno di dieci anni fa, e sui quali la nostra ricerca ha contribuito, sono il grafene ed i materiali con proprietà topologiche. Infine il nostro lavoro teorico concerne lo studio dell’effetto Josephson anomalo in sistemi superconduttivi basati su nanofili semiconduttivi o su interfacce tra ossidi isolanti. Molti temi di cui si occupa il gruppo sono attualmente centrali per i campo della fisica mesoscopica e topologica, la spintronica, spin-orbitronica, l’atomtronica e la simulazione quantistica.

Partecipanti esterni (non appartenenti al Dipartimento o di altri Atenei/Enti): Dr. Jacopo Settino (CNR)

Collaborazioni internazionali: Eugene Demler (ETH, Zurich), Thierry Giamarchi and Andrea Caviglia (University of Géneve), Edmond Orignac (ENS, Lyon), Corinna Kollath (University of Bonn)

Sistemi fuori dall'equilibrio, disordinati e fortemente correlati

[Adolfo Avella]

• Studio di sistemi correlati in presenza di difetti e/o interfacce.
• Studio della risposta ottica pump-probe di sistemi correlati e superconduttori.
• Studio della dinamica non-convenzionale di magneti e superconduttori fortemente correlati.

Studio di giunzioni Josephson

[Roberto De Luca]

• Proprietà superconduttive di giunzioni Josephson con doppia o tripla barriera.

Orbitronica superconduttiva e superconduttori topologici

[Maria Teresa Mercaldo; email: mmercaldo@unisa.it]

(1) L’orbitronica è una nuova tipologia di elettronica che punta a sfruttare i gradi di libertà orbitali degli elettroni nei dispositivi a stato solido. Infatti, la ricerca di nuovi dispositivi elettronici per il raggiungimento di una maggiore efficienza energetica, miniaturizzazione, e velocità di operazione, suggerisce di sfruttare i gradi di libertà quantistici degli elettroni, come il momento angolare di spin e orbitale, piuttosto che la loro carica. In questo ambito nel nostro gruppo di ricerca studiamo effetti orbitronici in diversi sistemi fisici ed in particolare nei superconduttori. Questi ultimi hanno il vantaggio di trasporto di corrente senza dissipazione. Tali studi aprono la strada per un nuovo campo di ricerca denominato orbitronica superconduttiva ed in generale hanno un grande impatto per la realizzazione di dispositivi per elettronica superconduttiva completamente basati su controlli magneto-elettrici.

Collaborazioni interne al dipartimento: Carmine Ortix, Claudio Guarcello.

Collaborazioni esterne al dipartimento: Mario Cuoco (CNR-SPIN, Salerno), Francesco Giazotto (CNR-Nano, Pisa), Luca Chirolli (CNR-Nano, Pisa).

(2) Negli ultimi anni nella comunità scientifica grande interesse è stato rivolto ai sistemi che presentano fasi topologiche della materia. Dispositivi basati su superconduttori non convenzionali o topologici sono elementi fondamentali per lo sviluppo di nuove tecnologie quantistiche. Infatti gli stati ordinati topologici godono di diverse proprietà che li rendono adatti sia alla possibilità di essere utilizzati nella computazione quantistica, essendo gli effetti di decoerenza significativamente ridotti, sia in diversi dispositivi elettronici, sfruttando la loro proprietà di avere stati al bordo ad energia zero (modi di Majorana). In questo ambito studiamo eterostrutture e giunzioni Josephson costituite da superconduttori topologici con stati di Majorana al bordo in numero maggiore di uno. Tali studi sono motivati anche dalla prospettiva dell’utilizzo di tali sistemi come elementi costitutivi in dispositivi per applicazioni nell’ambito della computazione quantistica.

Collaborazioni nazionali: Mario Cuoco (CNR-SPIN, Salerno)

Collaborazioni internazionali: Panagiotis Kotetes (CAS – ITP, Pechino, Cina), Yukio Tanaka (Nagoya University, Giappone).

Superconduttività, magnetismo e proprietà di ossidi di metalli di transizione

[Canio Noce; Alfonso Romano]

• Studio dei meccanismi di interazione e coesistenza di superconduttività e ferromagnetismo di tipo itinerante.
• Trasporto di spin e di carica in giunzioni superconduttore/metallo normale e superconduttore/ferromagnete.
• Superconduttività non convenzionale: stati superconduttivi non unitari e ordinamento superconduttivo con simmetria di tripletto di spin.
• Studio delle proprietà di ground state di sistemi elettronici correlati in presenza di accoppiamento spin-orbita.

Materiali quantistici a bassa dimensionalità

[Carmine Ortix]

• Studio e caratterizzazione di isolanti e semimetalli topologici protetti da simmetrie cristalline
• Analisi di proprietà di trasporto in materiali bidimensionali in presenza di campi di strain
• Trasporto quantistico di nanostrutture ed eterostrutture di ossidi di metalli di transizione
• Analisi di proprietà elettroniche e magnetiche di nanoarchitetture complesse con geometrie curve.

Condensed matter physics

[Mario Salerno]

• Dinamiche non lineari Classiche e Quantistiche (Solitoni) con applicazioni alla materia condensata;
• Condensazione di Bose-Einstein di atomi ultrafreddi in trappole ottiche;
• Proprietà v† di Entanglemet ed Entropia di von-Neumann di sistemi bosonici aperti;
• Catene di spin fuori equilibrio;
• Quenching Quantistico.