Più di 50 anni fa, eminenti fisici, tra cui i russi Yuri Kopaev e Leonid Keldysh e il premio Nobel americano Walter Kohn, predissero la possibilità che in alcuni materiali semiconduttori e semimetalli si potesse realizzare un nuovo stato della materia, chiamato da Kohn isolante eccitonico.
Questa fase della materia è caratterizzata dalla formazione spontanea di particelle chiamate eccitoni, composte da un elettrone e da una lacuna – la buca lasciata dall’elettrone che si muove nel cristallo – che restano legati fra loro poiché hanno carica elettrica opposta.
Il nuovo stato della materia ha natura prettamente quantistica e si contraddistingue per il comportamento collettivo degli eccitoni, che si sono formati spontaneamente a bassa temperatura e persistono fino a una certa temperatura critica.
Uno stato della materia difficile da osservare
Sin dalla prima teorizzazione, la fase eccitonica ha stimolato un grande interesse per la sua rilevanza dal punto di vista fondamentale e si è sviluppata una intensa attività di ricerca anche in vista delle applicazioni nelle future tecnologie quantistiche. Negli ultimi anni sono stati proposti diversi materiali che, per le loro proprietà elettroniche, sono ottimi candidati alla realizzazione dell’isolante eccitonico. Fra questi, i nanotubi di carbonio e sistemi bidimensionali composti da dicalcogenuri di metalli di transizione.
Sfortunatamente, una chiara e inconfutabile osservazione sperimentale rimane elusiva perché mascherata da altri fenomeni. In particolare, in tutti i materiali proposti, la transizione a isolante eccitonico è accompagnata da una distorsione del reticolo cristallino, rendendo difficile la distinzione fra un “puro” stato isolante eccitonico e uno stato che invece risulta essere un isolante convenzionale, a causa delle interazioni fra gli elettroni e il reticolo cristallino distorto.
Il solfuro di molibdeno: un candidato ideale
Simulazioni basate sulla meccanica quantistica hanno portato a concludere che il cristallo di solfuro di molibdeno, che a pressione atmosferica è un materiale isolante convenzionale, sotto l’effetto di forti pressioni e a basse temperature compie una transizione di fase realizzando lo stato di isolante eccitonico grazie alla sola dinamica degli elettroni, che si dispongono in una conformazione caratteristica chiamata onda di densità di carica.
A differenza di altri materiali proposti, tale configurazione avviene senza alcuna deformazione della struttura del reticolo cristallino. Lo studio dimostra inoltre che il nuovo stato si ottiene per valori di pressione e temperatura accessibili nei moderni laboratori, indicando così una via per l’osservazione sperimentale dell’isolante eccitonico a lungo cercato.
Le simulazioni che hanno portato a questi risultati sono state una combinazione di calcoli da principi primi, cioè che si basano sulla sola risoluzione delle equazioni che governano il comportamento elettronico in regime quantistico senza parametri esterni, e modelli teorici che descrivono il comportamento collettivo degli eccitoni.
Tali simulazioni, incredibilmente impegnative dal punto di vista computazionale, sono state condotte presso il supercomputer Marconi100 del consorzio CINECA e sviluppate all’interno di MaX (Materials design at the Exascale), l’infrastruttura europea di eccellenza per il calcolo ad alte prestazioni applicato ai nuovi materiali, coordinata da Cnr-Nano di Modena.
I progressi nelle tecnologie di calcolo ad alte prestazioni permettono ora di validare teorie e predire comportamenti della materia alla nanoscala inaccessibili fino a pochi anni fa, e di proporre esperimenti per indagare proprietà della materia ancora inosservate.
Riferimento:
S. S. Ataei, D. Varsano, E. Molinari and M. Rontani
Evidence of ideal excitonic insulator in bulk MoS2 under pressure Proc. Natl. Acad. Sci. 118 , 13 (2021).
https://www.pnas.org/content/118/13/e2010110118
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