Il lato morbido della materia dura

Mercoledì, 3 Febbraio, 2016

Attualmente la fisica dello stato solido e delle sue proprietà elettroniche, la cosiddetta ``hard condensed matter’’, dedica molta attenzione ai sistemi dove convivono o competono diverse fasi elettroniche (isolante, magnetica, metallica, superconduttiva, con ordine di carica, …). Oltre all’ovvio interesse concettuale, questi sistemi hanno anche importanza applicativa perché la miscela di fasi diverse può creare fasi nuove, enfatizzare alcune proprietà creando, ad esempio, superconduttività ad alta temperatura e permette facili, rapidi e controllabili cambiamenti delle proprietà elettroniche.

In questo ambito un fenomeno messo in luce di recente è l’emergere di una ``morbidezza’’ elettronica: quando fasi diverse, che prediligono diverse densità elettroniche, competono si creano facili e forti fluttuazioni di densità elettronica, che possono dar luogo a disomogeneità, onde di densità di carica o persino nuove fasi. Nasce così la materia elettronica morbida. Un esempio paradigmatico è quello dei superconduttori cuprati ad alta temperatura nel regime a basso drogaggio, dove un isolante antiferromagnetico compete con il metallo superconduttore. In questi sistemi è stata proposta una nuova fase della materia, la fase ferro-nematica [1]. In questo stato la materia soffice elettronica polimerizza dando luogo a polimeri di carica accompagnati da una struttura topologica non banale del circostante ``solvente’’ isolante antiferromagnetico. Questi polimeri elettronici possono ordinarsi in direzione (e verso) in modo molto simile a sistemi di ``soft matter’’ tradizionali come i cristalli liquidi (Figura 1).
La cosa interessante che emerge in questi ultimi tempi è che fenomeni di questo genere sembrano comuni e diffusi in materiali diversi. Un altro esempio (non l’unico) è dato dai pnictidi, anch’essi superconduttori ad alta temperatura, dove uno stato debolmente metallico con fluttuazioni antiferromagnetiche crea un ordine nematico. Recenti esperimenti di scattering Raman mostrano infatti che le fluttuazioni di spin inducono fluttuazioni nematiche in cui, di nuovo, la carica elettronica si ordina rompendo la simmetria rotazionale [2] (Figura 2).

Figura 1 Fasi elettroniche di tipo cristallo liquido in un cuprato sottodrogato.
I punti bianchi e neri rappresentano gli elettroni che formano segmenti.
Figura 2 diagramma di fase in un pnictide. La regione rosa è con ordine nematico.

Si apre, quindi, una nuova direzione per la fisica della materia dura in cui l’emergente materia elettronica morbida può venire ``plasmata’’ e manipolata per fini applicativi.

[1] M. Capati, S. Caprara, C. Di Castro, M. Grilli, G. Seibold, and J. Lorenzana
Nature Communications 6, 7691 (2015). 


[2] F. Kretzschmar, T. Boehm, U. Karahasnovic, B. Muschler, A. Baum, D. Jost, J. Schmalian, S. Caprara, M. Grilli, C. Di Castro, J. G. Analytis, J.-H. Chu, I. R. Fisher, and R. Hackl,
Nature Physics, published online, DOI: 10.1038/NPHYS3634, (2016).