Teorie e Simulazioni Numeriche per la Materia Condensata e le Scienze Quantistiche
L’attività 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 proprietà strutturali, dinamiche ed elettroniche di sistemi quantistici, quali molecole, clusters, solidi cristallini ed amorfi, superfici, liquidi. La simulazione di un sistema è 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 proprietà 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 Densità (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 proprietà, 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, superfluidità', superconduttività) analizzando le loro proprietà utilizzando i metodi della fisica statistica, della teoria del funzionale densità, e della teoria quantistica dei campi.
Staff
Professoresse e Professori di I fascia: Simone Montangero, Luca Salasnich, Paolo Umari
Professoresse e Professori di II fascia: Alberto Ambrosetti, Francesco Ancilotto, Luca Dell’Anna, Marco Di Liberto, Giacomo Gradenigo, Pierluigi Silvestrelli
Ricercatrici e Ricercatori: Federico Brivio, Ilaria Siloi,, Pietro Silvi
Assegniste/i e Borsiste/i
Sharad Kumar Upadhyay
Dottorande/i
Andrea Bardin, Lorenzo Frigato ,Francesco Lorenzi, Edoardo Maria Tiburzi, Marco Uguccioni, Cesare Vianello
Collaboratrici e collaboratori esterni
Alexander Yakimenko (visiting Professor)
Attività di ricerca
Simulazione di processi di fisisorbimento e chemisorbimento su superfici
La comprensione dei processi di adsorbimento mediante simulazioni ab initio è essenziale per progettare e ottimizzare una gran varietà 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 è 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 è chiamato "chemisorbimento". Ad esempio, il chemisorbimento di molecole insature di idrocarburi sulle superfici del silicio è di grande rilevanza per lo studio delle fasi iniziali di crescita del carburo di silicio su substrati di silicio, che è importante per progettare nuovi dispositivi elettronici.
Contatti: Pierluigi Silvestrelli
Grafene e nanotubi di carbonio
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 proprietà 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 è 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.
Contatti: Pierluigi Silvestrelli, Paolo Umari
Interazioni a lungo range in nanostrutture e sistemi biologici
Le forze di van der Waals hanno origine quantistica e possono virtualmente agire a range illimitato. Sommandosi diventano enormemente importanti in sistemi di larga scala come proteine, DNA, nanostrutture, materiali bidimensionali, etc. La nostra attività è legata ad un continuo miglioramento della descrizione teorica di queste forze, includendo effetti a molti corpi. Contestualmente, esploriamo effetti non banali, quali il ruolo di eccitazioni dovute a fotoassorbimento, l’azione di campi esterni, e meccanismi che vanno oltre l’approssimazione di Born-Oppenheimer.
Contatti: Alberto Ambrosetti, Pier Luigi Silvestrelli
Struttura dell'acqua (legami ad idrogeno), acqua all'interfaccia, e soluzioni acquose
L'acqua, il liquido più importante sulla terra, deve le sue insolite proprietà 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, proprietà strutturali, dinamiche, di legame, ed elettroniche delle molecole d'acqua attorno a diversi soluti, come molecole di metanolo e metano a diverse concentrazioni.
Contatti: Pierluigi Silvestrelli
Proprietà di eccitazione con la teoria perturbativa a molti corpi
Il gruppo ha sviluppato nel corso degli anni vari algoritmi per il calcolo accurato a principi primi di proprietà di eccitazione, come le band gaps elettroniche e la funzione dielettrica macroscopica, basati sulla teoria delle perturbazioni a molti corpi. Tali metodi sono stati implementati nel software open-source Quantum-Espresso e permettono simulazioni veloci di grandi sistemi modello. Ora stiamo estendendo i metodi al calcolo dell’evoluzione temporale di uno sistema quantistico in risposta ad un’eccitazione esterna.
Contatti: Paolo Umari
Analisi computazionale dei complessi a base metallica che interagiscono con le biomolecole
Studiamo i meccanismi d'azione di complessi metallici verso bersagli proteici, DNA e RNA, utilizzando metodi computazionali basati sulla meccanica quantistica molecolare. La reattività degli scaffold metallici con le biomolecole costituisce un nuovo campo di ricerca che ha attirato una crescente attenzione negli ultimi anni essendo ormai ampiamente riconosciuta l'importanza del cosiddetto "processo di metallizzazione" per la modalità d'azione di metallofarmaci approvati o sperimentali. In questo contesto stiamo sviluppando una nuova strategia teorica che permette di delucidare a livello molecolare il comportamento di complessi metallici con modelli molecolari di bersagli biomolecolari rilevanti. Questa ricerca è svolta nel tema "Studio a livello molecolare di struttura e funzione di RNA e sue modificazioni" nell'ambito del progetto "Centro nazionale per lo sviluppo di terapia genica e farmaci con tecnologia a RNA".
Contatti: Paolo Umari, Iogann Tolbatov
Condensazione e superfluidità negli atomi ultrafreddi
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 proprietà 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 densità per il gas di Fermi unitario (lunghezza di scattering infinita) a temperatura nulla e a temperatura finita. Stiamo anche iniziando l'analisi delle proprietà 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.
Contatti: Francesco Ancilotto, Luca Dell’Anna, Luca Salasnich
Fluidi classici e quantistici in geometrie confinate
Applichiamo e sviluppiamo metodi computazionali per lo studio delle proprietà 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 impurità 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 densità 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. Un ulteriore esempio riguarda il flusso di acqua o elio attraverso sottili nanotubi di carbonio. Una trattazione completamente quantistica predice moto in assenza di attrito, a causa di un fenomeno simile alla superfluidità.
Contatti: Francesco Ancilotto, Pier Luigi Silvestrelli, Alberto Ambrosetti
Sistemi disordinati
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.
Contatti: Luca Dell’Anna
Studio computazionale di celle solari: dai materiali ai dispositivi
Negli ultimi dieci anni la scoperta e seguente ingegnerizzazione di nuovi materiali come le perovskiti miste organiche inorganiche ha suscitato enorme interesse visto le alte efficienze di conversione energetica che sono state raggiunte. Sin dall’inizio il nostro gruppo ha compiuto ricerche usando simulazioni a principi-primi che hanno reso possibile la comprensione delle proprietà elettroniche di tali materiali. Più recentemente abbiamo studiato l’interazione tra eccitazioni elettroniche e vibrazioni atomiche permettendo la predizione della massima efficienza raggiungibile. Ora proseguiamo le ricerche ampliando sia la varietà di materiali studiati che quella delle proprietà fisiche analizzate.
Contatti: Paolo Umari
Vetri e Materiali Amorfi
Le proprietà fisiche dei vetri e dei materiali amorfi in genere sono determinate dalla loro struttura su scala atomistica. Questa però non è accessibile sperimentalmente per la mancanza di periodicità strutturale. La comprensione del comportamento fisico richiede quindi simulazioni atomistiche. Il gruppo ha una solida esperienza nella modellizzazione di vetri e nella simulazione delle loro risposte spettroscopiche. Attualmente stiamo studiando e simulando la dispersione meccanica in ossidi amorfi.
Contatti: Paolo Umari
Spettroscopia Computazionale
La capacità di simulare le stesse tecniche spettroscopiche utilizzate negli esperimenti è una chiave per poter estrarne valide conclusioni. Il gruppo ha una vasta esperienza nel calcolo a principi primi tramite metodi basati sulla teoria del funzionale della densità (DFT) e sulla teoria delle perturbazioni a molti corpi di spettri come: fotoemissione diretta e inversa, costanti ottiche e funzione dielettrica macroscopica, risposta dielettrica all’infrarosso e FTIR, Raman. I sistemi studiati includono: bulk solids, 2D layered materials, sistemi amorfi, superfici, sistemi molecolari.
Contatti: Paolo Umari
Meccanica statistica dei sistemi disordinati ed ecosistemi
Uno dei maggiori progressi della meccanica statistica degli ultimi 40 anni riguarda lo sviluppo di metodi sia numerici che analitici, come la teoria delle repliche ed il metodo della cavità, per lo studio delle fasi amorfe "a molti equilibri" che emergono in sistemi a molti corpi, sia classici che quantistici, in presenza di frustrazione nelle interazioni. E' stato recentemente scoperto che questo tipo di scenario a molti equilibri non caratterizza solamente certe fasi amorfe della materia condensata, ma è anche rilevante per lo studio della stabilità in modelli multi-agente provenienti dall'ecologia teorica. Si tratta di modelli caratterizzati tanto da competizione diretta tra le specie, attraverso il meccanismo preda-predatore, che da competizione indiretta per lo sfruttamento delle stesse risorse. Lo studio sia delle fasi di equilibrio di questi modelli che della loro dinamica di non-equilibrio, ugualmente importante in presenza di interazioni competitive tra le specie, rappresenta oggigiorno uno dei principali campi di applicazione delle più avanzate tecniche e modelli di meccanica statistica dei sistemi disordinati.
Contatti: Giacomo Gradenigo
Quantizzazione simplettica ed approcci numerici alla dinamica quantistica
Una delle principali limitazioni degli approcci numerici non perturbativi alla teoria quantistica dei campi ("lattice field theory") sia per quanto riguarda problemi relativistici (e.g., fisica adronica) che non relativistici (e.g., transizioni di fase quantistiche in materia condensata), è da sempre stato rappresentato dalla necessità di utilizzare una coordinata tempo "immaginaria" (rotazione di Wick) per ricavare dal formalismo quantistico, intrinsecamente caratterizzato da una fasi complesse e funzioni oscillanti (problema del segno), delle densità di probabilità reali e definite positive adatte allo sviluppo di algoritmi numerici di tipo Monte Carlo per il campionamento delle fluttuazioni quantistiche. L'utilizzo del cosiddetto "tempo immaginario" impedisce, da una parte, di studiare direttamente la struttura causale dello spazio tempo per i processi relativistici, dall'altra, di considerare il limite non-relativistico delle teorie quantistiche a molti corpi. Quindi, ad esempio, rappresenta un limite per lo sviluppo di approcci numerici non perturbativi "esatti" per lo studio della dinamica di non-equilibrio i problemi a molti-corpi quantistici.
La quantizzazione simplettica è un approccio funzionale alla teoria dei campi ed alla meccanica quantistica che, sfruttando concetti avanzati di meccanica statistica come l'inequivalenza degli ensemble in particolari situazioni, ha permesso di sviluppare un approccio numerico non-perturbativo che, in alcuni casi paradigmatici, si è già rivelato estremamente efficace. L'implementazione del metodo per le teorie di campo interagenti, con possibili applicazioni sia alle transizioni di fase in materia condensata che a classici problemi non-perturbativi relativistici come il comportamento delle teorie di gauge su reticolo, è attualmente in pieno sviluppo.
Contatti: Giacomo Gradenigo, Luca Salasnich
Localizzazione in sistemi classici e quantistici
Risultati recenti sul comportamento di un modello semiclassico per i condensati bosonici in reticoli ottici, modello noto come "Discrete Non-Linear Schroedinger Equation", hanno mostrato come esistano transizioni di fase, come ad esempio la localizzazione spaziale della funzione d'onda del condensato nel reticolo ottico, che sfuggono alla consueta distinzione tra transizioni del prim'ordine (discontinue, coesistenza di fase, calore latente) e transizioni del second'ordine (continue, invarianza di scala al punto critico, suscettività divergenti). L'evidenza di questi risultati ha prodotto un rinnovato interesse sia per le transizioni di questo tipo, note come transizioni di ordine misto (alle quali si congettura appartenga la stessa condensazione di Bose-Einstein), che per la fisica ad esse associata, in cui le proprietà delle transizioni del primo e del secondo ordine si vengono a mescolare. La comprensione profonda di questo genere di transizioni sia in sistemi classici che quantistici, che risulta cruciale per lo studio delle proprietà di trasporto e di termalizzazione in questi sistemi, è anche particolarmente interessante perchè richiede l'impiego dei più moderni e raffinati strumenti della meccanica statistica (grandi deviazioni, inequivalenza degli ensemble, etc.)
Contatti: Giacomo Gradenigo, Luca Salasnich
Fasi quantistiche della materia e transizioni di fase
L’attività di ricerca si concentra sull’indagine teorica di sistemi quantistici fortemente correlati e delle loro fasi rilevanti per sistemi di materia condensata o per simulatori quantistici. Ciò include l'esplorazione di una vasta gamma di modelli fisici, dai modelli di spin alle diverse varianti del modello di Hubbard, le teorie di gauge e i sistemi topologici, come quelli rilevanti per l'effetto Hall quantistico intero e frazionario e per gli isolanti topologici. Particolare attenzione è rivolta allo studio e caratterizzazione delle proprietà quantistiche emergenti attraverso l’analisi delle correlazioni e di osservabili significativi, anche in relazione alla loro implementazione in simulatori quantistici. L’approccio metodologico integra tecniche analitiche con strumenti numerici e variazionali avanzati, includendo l’utilizzo di Matrix Product States (MPS) e Tree Tensor Networks (TTN).
Contatti: Marco Di Liberto, Simone Montangero, Ilaria Siloi, Pietro Silvi
Eccitazioni e dinamica fuori dall'equilibrio per sistemi quantistici a molti corpi
L’attività di ricerca comprende lo studio dei modi collettivi nelle fasi quantistiche, la dinamica delle quasiparticelle e dei difetti topologici, le dinamiche di quench e i fenomeni di termalizzazione. Nei sistemi correlati queste analisi permettono di mettere in luce fenomeni come il decadimento del falso vuoto, fenomeni atipici come le scar, sondare le proprietà geometriche e topologiche delle bande. Si ha inoltre accesso agli stati legati di quasi particelle e alla loro manifestazione nella dinamica in vari contesti, incluso le teorie di gauge, le teorie di spin e i sistemi accoppiati luce-materia per gli array atomici in regime markoviano.
Contatti: Marco Di Liberto, Simone Montangero, Ilaria Siloi, Pietro Silvi
