24.02.2022 – 09.30 – La fisica dei materiali potrebbe aprire a nuove frontiere dell’efficientamento energetico, dell’elettronica e della sensoristica del futuro. È quanto emerge da uno studio pubblicato lo scorso mese su PNAS1dall’Istituto Officina dei Materiali del Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR-IOM) in collaborazione con Princeton University, Rutgers University e Louisiana State University (USA), Diamond Light Source (UK) e Center for Quantum Frontiers (Taiwan). Il materiale identificato nello studio è EuSn2P2, così chiamato per la sua costituzione chimica, di europio, stagno e fosforo.
Cos’è EuSn2P2? È un materiale magnetico. È quindi un materiale che genera un campo magnetico, invisibile all’occhio umano, ma che vediamo esprimersi mediante l’attrazione o la repulsione degli oggetti carichi che vi sono immersi. Cosa rende questo materiale così promettente?
I materiali si caratterizzano per la loro composizione chimica, ma la descrizione di un materiale non si esaurisce in una formula. Negli ultimi quindici anni, la matematica ha dato un grande contributo alla fisica dei materiali. Il linguaggio matematico genera concetti per astrarre proprietà tipiche o codici in grado di quantificare le interazioni tra molecole, definisce un linguaggio che filtra il magma indistinto di questi materiali restituendoci definizioni e misure, dando un nome a dinamiche e a proprietà e consentendoci di notarle. Un recente approccio a questa branca della fisica usa metodi matematici per indagare la disposizione e l’interazione di atomi e molecole di un materiale. Questa nuova lente ha portato a vedere alcuni materiali in modo nuovo, permettendoci di rintracciare proprietà che senza questo sguardo non sarebbero venute fuori. Secoli fa abbiamo convenuto di attribuire a ciascun materiale una formula chimica che ne descrive la composizione. Con la matematica abbiamo poi costruito un linguaggio – detto topologia dei materiali – che a quelle formule chimiche attribuisce una struttura a grafo, fatta di nodi e rami, ottenendo una rappresentazione visiva delle diverse composizioni chimiche.
Una delle proprietà fondamentali di EuSn2P2 riguarda proprio la sua struttura matematica a grafo e la magnetizzazione degli atomi coinvolti: gli atomi che lo compongono sono disposti a strati, con gli atomi di europio che si magnetizzano in precise direzioni. È questo a rendere così innovativo tale materiale: grazie a queste caratteristiche, le sue proprietà cambiano al variare della profondità del materiale.
“In questi materiali le proprietà magnetiche e le proprietà elettriche si influenzano reciprocamente”, spiegano i ricercatori coinvolti nello studio. E questo non è affatto scontato nella fisica dei materiali. Ma non solo. A seconda dell’elemento presente sulla superficie, il materiale può esprimere proprietà elettroniche diverse. In particolare, una certa disposizione degli strati di atomi permetterebbe di esprimere proprietà elettriche “nascoste” di questo materiale. Questa multiformità elettromagnetica consente a EuSn2P2 di raccogliere due o tre funzioni in una: è il motivo per cui viene definito “all-in-one”.
Solitamente la relazione è biunivoca: a un materiale corrisponde una sola funzione. Se però un materiale è “all-in-one”, le funzioni che può realizzare si moltiplicano. Quali sono le possibili applicazioni di questo materiale così multiforme?
A quando le applicazioni? La ricerca nel campo dei materiali quantistici continua a dare risultati interessanti. Ma il processo che dalla scoperta di un materiale porta alla creazione di applicazioni che ne sfruttino le potenzialità è lungo e complesso, spesso costellato da problemi di natura fisica ed economica, legati ai vincoli fisici dell’implementazione di un nuovo prodotto e alla valutazione della sua efficienza quando immesso sul mercato. Come nella maggior parte della ricerca scientifica, l’evoluzione dei processi applicativi richiede pazienza. Ma le applicazioni nominate dai ricercatori sono molteplici. Uno su tutti, l’efficientamento energetico.
[Il paper pubblicato su Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America: Evidence of magnetism-induced topological protection in the axion insulator candidate EuSn2P2 | PNAS]
di Rossella Marvulli
