4-Marzo-2009

Due articoli, uno sperimentale e uno teorico, apparsi su "Physical Review Letters" e segnalati sugli spothighlights di "Physycs Letters", portale dell’American Physical Society (APS), hanno indagato la natura della mobilità degli elettroni in certi metalli assai particolari. Le ricerche sono frutto di una collaborazione: lo studio sperimentale è stato realizzato presso il Laboratorio Elettra in collaborazione con ricercatori dell’Université Paris-Sud, mentre lo studio teorico è stato realizzato da ricercatori di Sissa, Democritos-INFM/CNR e ICTP di Trieste.

Esistono in natura sistemi a elettroni fortemente correlati - fra i quali si elencano materiali quali i superconduttori ad alta temperatura e le manganiti a magnetoresistenza colossale – che si caratterizzano per la loro "incertezza di stato", ossia oscillano tra lo stato metallico, dove la conduttività elettronica è alta, e quello isolante cosiddetto "di Mott", dove la conduttività crolla a zero o quasi. Per analizzare la transizione metallo-isolante si usano moderni strumenti sperimentali sensibili sopratutto alla superficie dei materiali. È perciò importante capire se la transizione avvenga allo stesso modo alla superficie e all'interno o se il comportamento della transizione non sia per caso influenzato o alterato dalla presenza della superficie. Per capirlo, servono strumenti capaci di determinare - misurando e calcolando - la "metallicità" di un materiale in funzione della profondità dalla sua superficie esterna.

Al Laboratorio Elettra, un’equipe di ricercatori, coordinati da Marino Marsi, ha fatto proprio questo. "Con una tecnica chiamata fotoemissione a bassa energia - spiega Andrea Goldoni, fra gli autori dell’articolo - siamo stati in grado "guardare" in profondità e di correlare la transizione, da fase isolante a fase metallica, in funzione della distanza dalla superficie". La fotoemissione analizza la condizione degli elettroni che occupano il livello atomico più esterno di un sistema, il cosiddetto livello Fermi, che è direttamente responsabile del comportamento metallico del materiale. In questo caso il materiale scelto è stato l’Ossido di Vanadio (V2O3), che presenta una transizione metallo-isolante che varia al variare della temperatura. "Abbiamo trovato – continua Goldoni - che, anche nella fase metallica, esiste uno strato superficiale che tende a essere isolante e che, quindi, non conduce elettricità".

A questo punto è intervenuto il gruppo di fisici teorici della Sissa, ricercatori del settore di Stati Condensati, guidati dal prof. Erio Tosatti, che hanno avanzato una spiegazione teorica del perché gli strati esterni di superficie potrebbero, e in realtà dovrebbero, essere meno metallici dell'interno del materiale, non solo in V2O3, ma nelle transizioni di Mott in maniera piuttosto generale.

Erio Tosatti, Michele Fabrizio e Giovanni Borghi, quest'ultimo studente di PhD della Scuola e primo autore del lavoro teorico, spiegano che "l'effetto delle interazioni fra gli elettroni è in generale quello di assottigliare la "forza spettrale" degli elettroni di conduzione del metallo al livello di Fermi: un po' come la portata del fiume di elettroni liberi, se il loro flusso fosse assimilabile a quello di un fiume. La presenza della superficie diminuisce ulteriormente la forza spettrale alla superficie, fino quasi ad arrestarla: un po' come accade per l'acqua del fiume, rallentata dalla presenza di rocce e detriti sulla riva, mentre scorre più veloce e libera al centro dell'alveo".

Grazie a un nuovo metodo di calcolo approssimato ma molto efficiente, è stata analizzata la forza spettrale elettronica in un modello con superficie, trovando che la suddetta forza decade in modo esponenziale man mano che ci si avvicina dall'interno alla superficie. Inoltre, se è vero che serve una superficie per causare questa riduzione - come il rallentamento dell'acqua vicino alla riva - tuttavia la distanza dal bordo a cui viene ripristinata la normale mobilità degli elettroni non dipende da come è fatta la superficie, ma solo dalle proprietà interne del sistema.
Gli effetti rilevanti si verificano quando i sistemi sono a cavallo tra questi due stati. Da qui la ragione del grande interesse sperimentale e teorico in questi sistemi: molte applicazioni pratiche, in nanoelettronica e altro, dipendono proprio dal comportamento elettronico vicino alle superfici, sul quale questo studio getta una nuova e inaspettata luce.