Quando parliamo di Quantum Materials, dobbiamo immaginare una particolare classe di materiali dalle incredibili potenzialità, che permettono all’uomo di “aprire una finestra sul mondo dell’infinitamente piccolo”. Infatti, questi materiali presentano particolari caratteristiche macroscopiche (osservabili cioè attraverso esperimenti condotti in laboratorio) che derivano tuttavia dalle leggi della Meccanica Quantistica, la teoria che regola il comportamento della materia su scala atomica.
Lo studio delle caratteristiche quanto-meccaniche di questi materiali è arduo, e richiede una approfondita conoscenza teorica e un supporto sperimentale all’avanguardia. Lo sanno bene Alessandra Milloch e Matteo Zendra, studenti del primo anno del dottorato internazionale in Science della Facoltà di Scienze Matematiche, Fisiche e Naturali, che collaborano nello studio di questi materiali affascinanti, approcciando lo stesso problema da punti di vista differenti.
«Io mi occupo dello studio e dello sviluppo di modelli matematici – racconta Matteo - capaci di spiegare come particolari proprietà quantistiche (come la coerenza) possono essere sfruttate all’interno di materiali fortemente correlati (prototipo dei Quantum Materials). Purtroppo, la coerenza delle eccitazioni elettroniche (una sorta di “ordine” nel moto degli elettroni) viene persa su scale di tempo ultraveloci, a causa dell’interazione del sistema con l’ambiente circostante. Per questo motivo, è necessario sviluppare una teoria che tenga in considerazione questa perdita repentina di coerenza del sistema, e che suggerisca come ritardarla il più possibile. Infatti, un modello teorico che descriva come preservare la coerenza delle eccitazioni elettroniche in questi materiali porterebbe ad un aumento drastico dell’efficienza di molti dispositivi elettronici, e rivoluzionerebbe l’attuale tecnologia in molti settori».
Alessandra segue un approccio più sperimentale basato sull’utilizzo di una serie di impulsi laser ultracorti dei quali possiamo controllare diverse caratteristiche, come la coerenza di fase e il ritardo temporale tra essi: «I processi coerenti a cui siamo interessati sono estremamente rapidi: avvengono su scale dei tempi dell’ordine dei femtosecondi, ovvero dei milionesimi di miliardesimo di secondo. Siccome per studiare processi di questo tipo abbiamo bisogno di oggetti almeno altrettanto brevi in tempo da usare come sonda, il primo passo della mia ricerca è quello di mettere a punto uno strumento, chiamato amplificatore ottico parametrico non collineare (NOPA) che permette di accorciare gli impulsi emessi dalla nostra sorgente laser, della durata di circa 300 femtosecondi, fino a circa 10 femtosecondi. Questi saranno poi utilizzati per implementare esperimenti di spettroscopia ultraveloce con i quali andare a investigare i processi di decoerenza in alcuni Quantum Materials di riferimento, quali gli ossidi di vanadio (V2O3, LaVO3)».
Ad oggi, la comprensione dei meccanismi che regolano il comportamento dei Quantum Materials è ancora piuttosto limitata. Per questo motivo, combinare lo sviluppo di modelli teorici capaci di spiegare e soprattutto di prevedere questi comportamenti, con esperimenti che permettano di osservare e di controllare specifiche proprietà quantistiche, come la coerenza, è di cruciale importanza al fine di poter sfruttare le straordinarie potenzialità di questi materiali. Lo studio e la comprensione delle proprietà dei Quantum Materials, infatti, avranno di certo pesanti ripercussioni sul nostro futuro prossimo, permettendo uno sviluppo tecnologico esponenziale in molti settori in continua espansione, come il quantum computing o i sistemi fotovoltaici.
