scoperto nei nanotubi di carbonio
Uno studio Cnr rivela che in questi cilindri ottenuti arrotolando il grafene,
con raggio di pochi nanometri e lunghi quanto il diametro di un capello, si
realizza l’isolante eccitonico, predetto mezzo secolo fa dal premio Nobel Walter
Kohn e finora mai confermato in modo convincente. La ricerca, pubblicata su
Nature Communications, aiuta a far luce
sulla natura isolante o conduttiva dei nanotubi di carbonio
Ricercatori dell’Istituto nanoscienze del Consiglio nazionale delle ricerche
(Nano-Cnr) hanno mostrato che nei nanotubi di carbonio si realizza
spontaneamente un nuovo stato quantistico della materia, detto isolante
eccitonico, predetto mezzo secolo fa dal premio Nobel Walter Kohn e finora mai
confermato in modo definitivo. Lo studio, condotto in collaborazione con Scuola
Internazionale Superiore di Studi Avanzati (Sissa), Istituto officina dei
materiali (Iom-Cnr) e Istituto struttura della materia (Ism-Cnr) del Consiglio
nazionale delle ricerche, è stato pubblicato su
Nature Communications.
I nanotubi di carbonio sono cilindri ottenuti dal grafene, materiale
bidimensionale composto da un foglio di carbonio dello spessore di un solo atomo
che, una volta arrotolato, forma tubi con raggio di pochi nanometri (un
nanometro è pari a un miliardesimo di metro) e lunghi quanto il diametro di un
capello. Finora il comportamento di una classe importante di nanotubi, in grado
di condurre corrente elettrica, si spiegava supponendo che gli elettroni degli
atomi di carbonio si muovessero facilmente e indipendentemente uno dall’altro
per tutta la lunghezza, cioè che il materiale si comportasse come un metallo. I
ricercatori di Nano-Cnr hanno invece dimostrato che quando un elettrone
abbandona un atomo di carbonio non si muove liberamente ma si lega con la buca
che lascia dietro di sé, formando una particella composita fatta dall’elettrone
e dalla buca, detta eccitone.
“Abbiamo riprodotto il comportamento collettivo di tutti questi eccitoni grazie
a simulazioni numeriche sofisticate e molto affidabili basate sulla meccanica
quantistica”, spiega Massimo Rontani di Nano-Cnr, “e verificato che gli
elettroni sono liberi di spostarsi solo se viene fornita una quantità di energia
sufficiente a dissolvere gli eccitoni. Questo significa che il nanotubo si
comporta come un materiale isolante, un isolante eccitonico: si tratta di un
fenomeno quantistico elusivo, a lungo inseguito”.
I nanotubi sono un sistema ideale per la nanoelettronica, potendo funzionare come minuscoli fili conduttori, e lo studio, dimostrando per la prima volta l’esistenza dell’isolante eccitonico nei nanotubi di carbonio, permetterà di comprendere meglio il meccanismo per cui i nanotubi si comportano da metallo o da isolante. “In questa ricerca siamo ripartiti dall’inizio, ignorando l’opinione consolidata secondo cui l’isolante eccitonico non poteva esistere nei nanotubi di carbonio”, spiega Daniele Varsano di Nano-Cnr. “Per arrivare a conclusioni affidabili sono state necessarie simulazioni numeriche sui supercalcolatori particolarmente complesse, rese possibili dal centro di eccellenza MaX, l'infrastruttura europea dedicata alla ricerca computazionale sui materiali guidata da Nano-Cnr. Grazie ai recenti sviluppi del calcolo ad alte prestazioni, l'high performance computing, è ora possibile predire proprietà della materia ancora inosservate, che fino a pochi anni fa si ritenevano irrealizzabili e relegate ai libri di testo”.
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