È arrivato a fine anno il responso dell’American Physical Society, atteso da mesi dai fisici dell’Università Cattolica del Sacro Cuore, dell’Istituto Nazionale di Ottica (INO) che fa parte del CNR e dall’Université Claude Bernard Lyon 1 (Francia).
Il 31 dicembre è apparso su Physical Review Letters l’articolo con le firme di Claudio Giannetti, Francesco Banfi e Marco Gandolfi, che spiega la nuova scoperta sui materiali nanostrutturati che apre la strada a una nuova generazione di nanodispositivi termici basati sugli effetti ondulatori, quali filtri di temperatura, guide d’onda e cavità. (M. Gandolfi, C. Giannetti, and F. Banfi. Temperonic Crystal: A Superlattice for Temperature Waves in Graphene, Phys. Rev. Lett. 125, 265901 (2020).
È Claudio Giannetti, docente di fisica all’Università Cattolica, a spiegarci in cosa consiste questo nuovo traguardo nell’ambito del nanomondo. «Abbiamo scoperto che i materiali possono essere ingegnerizzati alla nanoscala in modo da creare un cristallo temperonico, ossia un metamateriale che si comporta come un “reticolo artificiale” per le onde di temperatura. In particolare, abbiamo considerato l’esempio di una struttura costituita da uno strato di grafene, costituito da un singolo strato atomico di atomi di carbonio, le cui proprietà fisiche vengono modulate periodicamente nello spazio».
Impulsi di calore che si propagano in pochi picosecondi e che si comportano come onde. «La dinamica della temperatura, diversamente da quella della luce, è comunemente considerata come diffusiva. In altre parole, il riscaldamento locale di un corpo dà origine a un innalzamento di temperatura progressivo senza che ci sia alcuna dinamica oscillatoria. Su scale temporali e spaziali brevi, però, la comune legge di diffusione del calore, detta anche legge di Fourier, non è più applicabile ed emerge la possibilità che la temperatura si propaghi in maniera simile ad un’onda. L’aspetto delicato di questo lavoro consiste nel capire come rendere accessibile il comportamento ondulatorio della temperatura. Abbiamo dimostrato che è realisticamente possibile modulare le proprietà del grafene in modo da ottenere e sfruttare il regime ondulatorio della temperatura, con periodi spaziali di pochi micrometri e frequenze dell’ordine di diversi GHz».
Come si è sviluppata questa nuova intuizione sulle modalità di propagazione delle onde di temperatura? «L’idea di ottenere nuove funzionalità, modulando periodicamente le proprietà dei sistemi fisici, è universale in fisica – spiega Francesco Banfi, già docente alla facoltà di Scienze matematiche, fisiche e naturali dell’Università Cattolica e ora a Lione (Université Claude Bernard). Ci sono molti esempi, come i cosiddetti cristalli fotonici, in cui le onde elettromagnetiche si propagano attraverso un mezzo le cui proprietà fisiche sono state periodicamente modulate. Ancora più recentemente sono stati introdotti i cristalli fononici, cioè strutture periodiche artificiali per le onde meccaniche. In tutti questi casi, la modulazione periodica delle proprietà del mezzo in cui si propaga l’onda dà luogo a modi di propagazione proibiti, il così detto gap di frequenze proibite. Le onde con frequenze corrispondenti a questo gap non si possono propagare all’interno del mezzo».
Una rivoluzione nello sviluppo di nuovi dispositivi termici. «La possibilità di bloccare la propagazione di determinate frequenze di onde di temperatura è la chiave per sviluppare la prossima generazione di dispositivi termici che sfruttino fenomeni termici simili a onde. Ne è convinto Marco Gandolfi, laureato in Fisica alla Cattolica di Brescia, dove ha svolto anche il dottorato facendo ricerca nei laboratori di spettroscopia del dipartimento e ora ricercatore all’Istituto Nazionale di Ottica (INO) del CNR. Un semplice esempio è la creazione di uno speciale filtro che consente la trasmissione selettiva degli impulsi di temperatura attraverso un materiale in base alla forma degli impulsi stessi. Un impulso di temperatura è infatti composto da molte onde di temperatura, ognuna oscillante ad una frequenza specifica. Immaginate di inviare un impulso di temperatura da una sorgente ad un ricevitore. Interporre il filtro tra i due consente di selezionare le frequenze trasmesse e riflesse, controllando infine la porzione dell’impulso originale che raggiunge il ricevitore. Il filtro è l’analogo, per il caso della temperatura, degli occhiali con lenti multistrato (superreticoli appunto) per la luce. Indossando questi ultimi nelle attività all’aperto, il mondo appare con una colorazione specifica. Questo effetto è dovuto al fatto che i multistrati riflettono determinati colori e trasmettono gli altri. L’effetto di filtraggio si basa sull’ interferenza, un aspetto peculiare dei fenomeni ondulatori».
Invece, «in analogia con le fibre ottiche, i cristalli temperonici di nuova introduzione aprono allo sviluppo di guide d’onda, cioè canali spaziali in cui le onde di temperatura si possono propagare senza alcuna perdita. Filtri e guide d’onda costituiscono i mattoncini LEGO necessari per lo sviluppo di dispositivi artificiali in cui gli impulsi di temperatura possono essere manipolati, trasportati e immagazzinati su scale spaziali di pochi nanometri, aprendo così una nuova era nel controllo delle proprietà termiche alla nanoscala. Immaginiamoci nanodispositivi in cui la temperatura può essere trasportata esattamente come si fa con la luce in una fibra ottica!»
