Metallo in catene

Se si guardasse in profondità in tre diversi solidi con un super microscopio, si vedrebbe sempre la stessa cosa: Nuclei atomici disposti in un reticolo cristallino ed elettroni, alcuni dei quali orbitano intorno ai nuclei atomici e altri sfrecciano avanti e indietro nel reticolo cristallino.

Tuttavia, è possibile che questi materiali si comportino in modo completamente diverso quando viene loro applicata una tensione elettrica. Ad esempio, il primo solido condurrebbe bene l'elettricità, il secondo si rivelerebbe un perfetto isolante e il terzo sarebbe forse un semiconduttore - un materiale la cui conduttività aumenta con l'aumentare della temperatura (invece di diminuire, come nel caso dei metalli) e che è il materiale di partenza per i transistor e i chip dei computer.

I fisici guidati da Manfred Sigrist, Alexey Soluyanov e Andreas Rüegg dell'Istituto di fisica teorica dell'ETH di Zurigo hanno ora previsto un nuovo tipo di solido, che chiamano "metallo a catena annodata" e che dovrebbe avere proprietà finora sconosciute. I ricercatori hanno già individuato un potenziale candidato tra le sostanze conosciute.

Struttura a bande ed energia di Fermi

Sono essenzialmente due i parametri che determinano se e come un solido conduce l'elettricità: la sua struttura a bande e la sua energia di Fermi. La struttura a bande si riferisce ai possibili stati energetici che gli elettroni in esso contenuti possono assumere. Mentre un elettrone libero accumula sempre più energia cinetica quanto più velocemente si muove, gli elettroni incorporati in un reticolo cristallino possono assumere solo valori di energia compresi in determinati intervalli o "bande". Ciò deriva dalla loro natura di onde meccaniche quantistiche, il che significa anche che alcuni valori di energia cinetica sono "tabù" per gli elettroni; si parla di band gap.

L'energia di Fermi deriva a sua volta dal fatto che gli elettroni sono particelle cosiddette fermioniche, due delle quali non possono mai occupare lo stesso stato energetico. Se il solido fosse costruito pezzo per pezzo, ogni nuovo elettrone aggiunto, partendo da zero, cercherebbe gradualmente di riempire livelli energetici sempre più alti. L'energia dell'ultimo elettrone è quindi l'energia di Fermi.

Ora è possibile prevedere facilmente se un certo materiale è un metallo o un isolante se si conoscono le sue bande energetiche e la sua energia di Fermi: se l'energia di Fermi si trova all'interno di una banda, gli elettroni più energetici possono muoversi facilmente e quindi condurre elettricità. Se invece coincide con un band gap, siamo di fronte a un isolante. Altre sostanze sono in realtà metalli, ma hanno solo alcuni stati energetici possibili al livello dell'energia di Fermi. "Il materiale che abbiamo previsto è, se vogliamo, un cugino di questi cosiddetti semimetalli", spiega Tomà? Bzdu?ek, dottorando di Sigrist e Soluyanov.

Nodi nel semimetallo

Il grafene è un semi-metallo che ha fatto notizia. Il modo particolare in cui le bande di energia degli elettroni del grafene si avvicinano l'una all'altra nei cosiddetti punti di Dirac determina l'insolita conducibilità elettrica e termica di questo materiale, i cui scopritori sono stati insigniti del premio Nobel per la fisica nel 2010. Poiché il band gap scompare completamente nei punti di Dirac, questi sono noti anche come nodi (per analogia con i nodi di un'onda stazionaria). In altri semimetalli, invece, le bande energetiche non si toccano in punti isolati, ma lungo determinate linee o superfici.

"La particolarità del nostro nuovo materiale è che le sue bande energetiche si toccano lungo nodi interconnessi, e questi nodi formano una catena", spiega Sigrist. "Può sembrare strano e molto teorico, ma in realtà abbiamo trovato un materiale reale che probabilmente è così. Il fatto che tali catene di nodi siano presenti in un materiale non è una coincidenza, ma è determinato dalle simmetrie del suo reticolo cristallino".

La fisica può tracciare un interessante parallelo tra i solidi e la fisica delle particelle ad alta energia. Nelle teorie delle alte energie, le catene nodali sarebbero impossibili a causa dell'alto grado di simmetria del vuoto. In un cristallo, invece, c'è molta meno simmetria, creando una sorta di nuovo vuoto.

Trovare il materiale per le catene annodate è stato un lavoro minuzioso che ha portato all'obiettivo solo in modo indiretto. Pensando che sarebbe stato più facile, i ricercatori hanno prima cercato materiali con un singolo nodo e hanno calcolato teoricamente quali proprietà di simmetria dovrebbe avere il reticolo cristallino di un tale materiale.

In totale si conoscono 230 tipi diversi di simmetrie cristalline, che giocano un ruolo fondamentale nel determinare la struttura a bande di un materiale. Soluyanov e i suoi colleghi hanno quindi setacciato i database online (ICSD - Inorganic Crystal Structure Database), in cui sono elencati migliaia di solidi noti con le loro strutture cristalline. Alla fine si sono imbattuti in uno che non solo aveva un nodo, ma anche una catena di nodi più complicata: il tetrafluoruro di iridio. "? stata una sorpresa inaspettata", ammette Quan Shen Wu, che collabora con l'ETH.

Un possibile prototipo

Questa sostanza poco conosciuta e finora non particolarmente utile potrebbe essere il prototipo di un nuovo tipo di materiale con proprietà potenzialmente interessanti dal punto di vista tecnologico. La fisica di Zurigo prevede, ad esempio, che la conduttività di questi solidi sia influenzata in modo caratteristico dai campi magnetici. Questo fenomeno è noto anche come magnetoresistenza e svolge un ruolo importante nelle moderne tecnologie di stoccaggio. Inoltre, la struttura a bande del tetrafluoruro di iridio presenta caratteristiche particolari che sono state associate alla superconduttività a temperature più elevate. "Naturalmente, tutto questo è molto inverosimile", ammette Sigrist. Tuttavia, la ricerca sperimentale sui nuovi metalli a catena nodale è ancora in corso e le sorprese sono certamente possibili.