Aggiornamento su QSpec-NewMat: nuovi strumenti per comprendere meglio i fenomeni legati ai materiali
Finanziato dal Consiglio europeo della ricerca (CER), il progetto QSpec-NewMat ha sviluppato il suo kit di strumenti combinando i principi della teoria del funzionale densità dipendente dal tempo e dell’elettrodinamica quantistica, consentendo in tal modo di elaborare un nuovo approccio chiamato teoria funzionale della densità elettrodinamica quantistica. Gli strumenti utilizzano la luce per comprendere e controllare i fenomeni quantistici in sistemi complessi in condizioni di presenza e assenza di equilibrio. QSpec-NewMat ha continuato la sua linea di ricerca studiando la fisica dell’elettrodinamica quantistica di cavità degli stati correlati luce-materia, come gli stati Hall quantistici interi e frazionari. «Una direzione particolarmente interessante in tal ambito è il potenziamento della superconduttività in una cavità ottica», afferma Angel Rubio, direttore dell’Istituto Max Planck per la struttura e la dinamica della materia, il centro tedesco che ha coordinato il progetto. «Uno degli aspetti più emozionanti dei fenomeni quantistici mediati dall’elettrodinamica quantistica di cavità si verifica nel regime di forte accoppiamento tra luce e materia, quando il “campo di luce” non è fornito da un campo laser esterno, ma dalle fluttuazioni nel vuoto della cavità.» Questo fatto differenzia chiaramente la fisica dell’elettrodinamica quantistica di cavità dai normali fenomeni ottici non lineari, che sono indotti da un forte campo esterno e coinvolgono inevitabilmente stati eccitati e/o fuori equilibrio della materia. Ciò ha aperto nuove opportunità entusiasmanti per lo studio dell’interazione della luce quantizzata con i sistemi quantistici a molti corpi. Inoltre, ha consentito di realizzare diverse previsioni accattivanti, tra cui il potenziamento della superconduttività, la conduzione di transizioni paraelettriche-ferroelettriche nelle perovskiti, l’induzione di fasi topologiche emergenti e il controllo di reazioni fotochimiche (ovvero inibire, guidare e persino catalizzare un processo chimico e il trasferimento di energia). Un’idea innovativa è costituita dal controllo delle cavità nelle interazioni tra molti corpi. Modificando l’hamiltoniana di una singola particella attraverso l’accoppiamento cavità-materia, si possono selezionare i termini di interazione rilevanti e controllare di conseguenza la forma delle loro efficaci interazioni. Un’altra questione interessante riguarda l’eventualità per cui le cavità ottiche potrebbero fungere da piattaforme per la realizzazione allo stato solido di concetti della fisica delle alte energie e per la realizzazione di nuove quasiparticelle fermioniche nelle cavità. «Questi progressi nel controllo dei materiali si basano su un’impostazione versatile e accurata dei principi primi che integra tutti i gradi di libertà rilevanti, ovvero fotoni, elettroni, fononi e ambiente, allo stesso livello», dichiara Rubio, che conclude: «Grazie anche ai finanziamenti dell’ERC, sono stati sviluppati i nuovi quadri teorici QEDFT e QED a cluster di coppie per affrontare questa sfida.»
Parole chiave
QSpec-NewMat, quantistico, materiale, materiale complesso, elettrodinamica quantistica, teoria funzionale della densità elettrodinamica quantistica, cavità, luce