Teorie e Simulazioni Numeriche per la Materia Condensata e le Scienze Quantistiche

Teorie e Simulazioni Numeriche per la Materia Condensata e le Scienze Quantistiche

Staff

Francesco Ancilotto, Simone Montangero, Pier Luigi Silvestrelli, Luca Salasnich, Paolo Umari, Luca Dell'Anna.

Post-Docs

Lyudmyla Adamska, Giacomo Gori, Alberto Ambrosetti

Attività di Ricerca

L'attivita' di ricerca teorica del nostro gruppo copre diverse aree scientifiche. Una prima area comprende lo sviluppo e l'applicazione di metodi numerici di simulazione ab initio utilizzata per calcolare proprieta' strutturali, dinamiche ed elettroniche di sistemi quantistici, quali molecole, clusters, solidi cristallini ed amorfi, superfici, liquidi. La simulazione di un sistema e' detta ab initio (o "da principi primi") se si basa sulle leggi fondamentali della natura (come le leggi dell'elettrodinamica e la meccanica quantistica) e le proprieta' degli atomi costituenti, senza altre assunzioni o particolari modelli. Nella dinamica molecolare ab initio gli atomi evolvono sotto l'azione di forze che dipendono esplicitamente dalla struttura elettronica, tipicamente calcolata nell'ambito della Teoria del Funzionale Densita' (DFT). Sebbene la nostra ricerca appartenga principalmente al filone della scienza di base, i risultati e le metodiche computazionali hanno ricadute tecnologiche e possono contribuire a progettare nuovi materiali e dispositivi con specifiche proprieta', ad esempio per immagazzinare idrogeno, pile a combustibile, impianti fotovoltaici e dispositivi elettronici.

Una seconda ed altrettanto cruciale area di ricerca è lo studio dei meccanismi che determinano l'emergere di fenomeni quantistici macroscopici (coerenza, superfludita', superconduttivita') analizzando le loro proprieta' utilizzando i metodi della fisica statistica, della teoria del funzionale densita', e della teoria quantistica dei campi.

Una panoramica più ampia e dettagliata dei temi di ricerca del nostro gruppo è data di seguito:


Simulazione di processi di fisisorbimento e chemisorbimento su superfici

(Pier Luigi Silvestrelli)
La comprensione dei processi di adsorbimento mediante simulazioni ab initio e' essenziale per progettare e ottimizzare una gran varieta' di applicazioni sui materiali, e per interpretare esperimenti di scattering e di microscopia a forza atomica. In particolare, l'adsorbimento di atomi di gas rari o di molecole sature come H2 su superfici metalliche e' paradigmatico del fenomeno del "fisisorbimento", che e' caratterizzato da un legame debole dovuto all'equilibrio tra interazioni attrattive a lungo raggio di van der Waals e repulsione di Pauli a corto raggio. Se invece tra adsorbato e la superficie si formano veri (forti) legami chimici allora il processo e' chiamato "chemisorbimento". Ad esempio, il chemisorbimento di molecole insature di idrocarburi sulle superfici del silicio e' di grande rilevanza per lo studio delle fasi iniziali di crescita del carburo di silicio su substrati di silicio, che e' importante per progettare nuovi dispositivi elettronici.


Grafene e nanotubi di carbonio

(Pier Luigi Silvestrelli, Paolo Umari)
I recenti progressi nelle tecniche sperimentali ed il sempre crescente interesse nelle applicazioni nanotecnologiche hanno portato a rivolgere particolare attenzione al grafene e ai nanotubi di carbonio. Il grafene ha caratteristiche peculiari grazie alla sua struttura cristallina bidimensionale. Intendiamo investigare, usando tecniche di simulazione ab initio, il chemisorbimento/fisisorbimento di atomi/molecole esterne sia su grafene planare che corrugato. Mediante approcci allo stato dell'arte sviluppati nel nostro gruppo, basati sulla Teoria del Funzionale Densita' (DFT) e sulla teoria perturbativa a molti corpi GW, caratterizziamo diverse molecole sia sul grafene planare che corrugato, in modo da spiegare, a complemento dell'investigazione sperimentale, come queste funzionalizzazioni del grafene alterano le sue proprieta' strutturali, vibrazionali ed elettroniche. Studiamo anche l'interazione del grafene con l'acqua, dato che il sistema acqua-grafene e' molto importante come interfaccia modello tra l'acqua e substrati idrofobici ed e' pure rilevante per applicazioni recentemente realizzate in dispositivi di "energy harvesting". I nanotubi di carbonio sono particolarmente interessanti come potenziali dispositivi di immagazzinamento di idrogeno per veicoli elettrici alimentati da pile a combustibile. Studiamo l'interazione dell'idrogeno con nanotubi di piccolo raggio mediante metodi ab initio DFT: esploriamo diversi cammini di reazione, siti di adsorbimento ed orientazioni delle molecole di idrogeno relativamente alla struttura di carbonio e calcoliamo le corrispondenti energie di legame ed i potenziali di adsorbimento.


Struttura dell'acqua (legami ad idogeno), acqua all'interfaccia, e soluzioni acquose

(Pier Luigi Silvestrelli)
L'acqua, il liquido piu' importante sulla terra, deve le sue insolite proprieta' alla rete dei legami ad idrogeno che connettono molecole adiacenti. La descrizione della struttura elettronica dell'acqua deve essere migliorata tenendo opportunamente conto delle interazioni di dispersione (di Van der Waals), un effetto quanto-meccanico prodotto dalle correlazioni non-locali tra gli elettroni. Stiamo attualmente studiando gli effetti strutturali delle interazioni di dispersione in sistemi con legami ad idrogeno. Una migliore comprensione della struttura microscopica dell'acqua liquida e' un prerequisito per interpretare i dati spettroscopici e dovrebbe portare a migliorare i modelli microscopici per l'acqua all'interfaccia e per i processi di idratazione e renderli adatti anche a descrivere stati metastabili. Le interazioni idrofobiche sono cruciali in molti processi biofisici e biochimici. Essenzialmente l'effetto idrofobico rappresenta la tendenza dei gruppi apolari ad associarsi nelle soluzioni acquose e a minimizzare la superficie totale esposta all'acqua; al contrario i gruppi polari possono partecipare ai legami ad idrogeno con le molecole d'acqua. Studiamo quindi, mediante simulazioni ab initio, proprieta' strutturali, dinamiche, di legame, ed elettroniche delle molecole d'acqua attorno a diversi soluti, come molecole di metanolo e metano a diverse concentrazioni.


Proprieta' di eccitazione con la teoria perturbativa a molti corpi

(Paolo Umari)
Abbiamo sviluppato degli algoritmi per il calcolo di eccitazioni elettroniche neutre e cariche che si basano sulla teoria delle perturbazioni a molti-corpi (GW-BSE). Attualmente stiamo usando questi metodi numerici per lo studio delle tematiche seguenti: *)celle solari elettrochimiche *) celle solari perovskite *)proprieta' elettroniche di molecole organiche e metallo organiche *)proprieta' elettroniche di nanoclusters metallici *)simulazione di spettri Raman in modelli di silice sottoposta a compressione *)studio delle proprieta' elettroniche di modelli di DNA e di frammenti di DNA in soluzione.


Condensazione e superfluidita' negli atomi ultrafreddi

(Francesco Ancilotto, Luca Dell'Anna, Luca Salasnich)
Studiamo la termodinamica di superfluidi bosonici e fermionici debolmente interagenti (atomi alcalino-metallici quali rubidio, sodio, litio, ma anche idrogeno atomico) e intrappolati con potenziali magetici o ottici. Analizziamo le eccitazioni elementari di particella singola e quelle collettive risolvendo sia le equazioni di Bogogliubov-de Gennes sia quelle di Popov. Inoltre, investighiamo le proprieta' dinamiche dei condensati di Bose-Einstein (BECs) utilizzando l'equazione tridimensionale di Gross-Pitaevskii dipendente dal tempo, che descrive la funzione d'onda macroscopica (parametero d'ordine) del condensato di Bose. Stiamo anche investigando la dinamica (eccitazioni collettive, espansione libera, formazione di vortici quantizzati) di un gas di fermioni a due componenti nel crossover BCS-BEC, ed anche la formazione di solitoni in miscele atomiche di bosoni e fermioni. In particolare, stiamo sviluppando un affidabile funzionale energia della densita' per il gas di Fermi unitario (lunghezza di scattering infinita) a temperatura nulla e a temperatura finita. Stiamo anche iniziando l'analisi delle proprieta' di condensato degli atomi atomici fermionici con accoppiamento di spin-orbita nel crossover BCS-BEC utilizzando tecniche di path-integral analitiche e numeriche. Infine, stiamo lavorando sulla dinamica del tunneling quantistico a molti corpi di bosoni e fermioni in doppia e tripla buca di potenziale con lo scopo di studiare stati di gatto di Schrodinger e l'entanglement quantistico.


Fluidi classici e quantistici in geometrie confinate

(Francesco Ancilotto, Pier Luigi Silvestrelli)
Applichiamo e sviluppiamo metodi computazionali per lo studio delle proprieta' strutturali e dinamiche di fluidi quantistici in geometrie confinate. Esempi di questi sistemi sono: nanogocce di elio liquido (fluido altamente quantistico) puro o dopato con impurita' atomiche/molecolari, l'argon liquido (tipico fluido classico) adsorbito entro nanopori, il para-idrogeno liquido (fluido moderatamente quantistico) adsorbito su nanostrutture, l'elio all'interno di nanotubi di carbonio, ecc. Questi sistemi sono analizzati nell'ambito di una teoria fenomenologica che utilizza il metodo del funzionale densita' nel caso dell'elio e dell'idrogeno, mentre si utilizzano metodi di Dinamica Molecolare Classica e/o simulazioni Monte Carlo nel caso di fluidi classici.


Sistemi disordinati

(Luca Dell'Anna)
Il disordine è presente spesso in natura, per cui una piena comprensione di molti fenomeni fisici a livello microscopico governati dalla meccanica quantistica non può prescindere dal trattare impurezze e disomogeneità. Un noto effetto dovuto al disordine è la cosiddetta localizzazione di Anderson, che confina spazialmente le funzioni d'onda quando si è al di sopra di un valore critico del disordine locale, rendendo isolante il sistema. Lo studio delle proprietà dei sistemi disordinati anche in presenza di interazione tra le particelle è invece un tema di ricerca ancora da esplorare. Il fenomeno relativo alla transizione tra fase conduttiva e isolante è chiamato in questo caso "many-body localization", e la sua caratterizzazione è attualmente oggetto di intensi studi nella fisica dei sistemi a molti corpi.