Isolante eccitonico: nuovo stato della materia nei nanotubi di carbonio / Eccitonic insulation: new state of matter in carbon nanotubes

Isolante eccitonico: nuovo stato della materia nei nanotubi di carbonio Eccitonic insulation: new state of matter in carbon nanotubes


Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa



    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”.
    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”.
    ENGLISH
    Researchers at the Nanoscience Institute of the National Research Council (Nano-Cnr) have shown that in carbon nanotubes a new quantum state of matter, called an excitonic insulator, spontaneously predicted half a century ago by the Nobel laureate Walter Kohn and so far never confirmed in definitive way. The study, conducted in collaboration with the Advanced International School of Advanced Studies (SISSA), Institute for Materials Workshop (IOM-Cnr) and Institute Structure of Matter (ISM-CNR) of the National Research Council, has been published in Nature Communications.
    Carbon nanotubes are cylinders obtained from graphene, a two-dimensional material composed of a sheet of carbon of the thickness of a single atom which, once rolled, forms tubes with a radius of a few nanometers (one nanometer is one billionth of a meter) and long as the diameter of a hair. So far the behavior of an important class of nanotubes, capable of conducting electric current, was explained by supposing that the electrons of the carbon atoms moved easily and independently from one another throughout the length, ie that the material behaved like a metal . Researchers at Nano-Cnr have shown that when an electron leaves a carbon atom it does not move freely but binds itself with the hole it leaves behind, forming a composite particle made by the electron and the hole, called the exciton.
    "We have reproduced the collective behavior of all these excitons thanks to sophisticated and very reliable numerical simulations based on quantum mechanics", explains Massimo Rontani of Nano-Cnr, "and verified that the electrons are free to move only if an amount of energy is supplied enough to dissolve the excitons. This means that the nanotube behaves like an insulating material, an excitonic insulator: it is an elusive quantum phenomenon, long pursued ".
    Nanotubes are an ideal system for nanoelectronics, being able to function as tiny conducting wires, and the study, demonstrating for the first time the existence of the excitonic insulator in carbon nanotubes, will allow us to better understand the mechanism by which the nanotubes behave from metal or insulation. "In this research we started from the beginning, ignoring the established opinion that the excitonic insulator could not exist in carbon nanotubes," explains Daniele Varsano of Nano-Cnr. "In order to arrive at reliable conclusions, numerical simulations were needed on particularly complex supercomputers, made possible by the MaX center of excellence, the European infrastructure dedicated to computational research on materials led by Nano-Cnr. Thanks to recent developments in high performance computing, high performance computing, it is now possible to predict unobserved properties of matter, which until a few years ago were considered unachievable and relegated to textbooks ".
    Da:
    https://www.galileonet.it/2018/04/isolante-eccitonico-nuovo-stato-materia-nanotubi-carbonio/

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