Isolante eccitonico, il nuovo stato della materia nei nanotubi di carbonio

SCOPERTE – Immaginate di arrotolare un foglio di grafene fino a formare un cilindro dal raggio di appena pochi nanometri, cioè un miliardesimo di metro, e dal diametro pari a quello di un capello. “Guardandoci dentro”, gli scienziati hanno osservato per la prima volta la realizzazione spontanea di un nuovo stato quantistico della materia, detto isolante eccitonico, che è stato ipotizzato 50 anni fa da Walter Kohn, scienziato e premio Nobel per la chimica nel 1988.

Lo studio condotto dai ricercatori dell’Istituto nanoscienze del Cnr di Modena, in collaborazione con la Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati (Sissa), l’Istituto officina dei materiali (Iom-Cnr) e l’Istituto struttura della materia (Ism-Cnr), è stato pubblicato sulla rivista Nature Communications e aiuta a fare luce sulla natura isolante o conduttiva dei nanotubi di carbonio.

Una scoperta che riscrive quello che sappiamo del comportamento di una classe importante di nanotubi, che sono in grado di condurre corrente elettrica. Fino ad oggi infatti si riteneva che questi materiali si comportassero come un metallo, cioè che gli elettroni degli atomi di carbonio che compongono il reticolo metallico si muovessero con facilità e in modo indipendente l’uno dall’altro per tutta la lunghezza del nanotubo.

Partendo dal grafene, un materiale bidimensionale composto da un foglio di carbonio spesso appena un solo atomo, i ricercatori lo hanno arrotolato formando dei tubi dal raggio di pochi nanometri. Osservando all’interno di questi nanotubi di carbonio, i ricercatori di Nano-Cnr hanno scoperto che quando un elettrone abbandona un atomo di carbonio non si muove liberamente come ritenuto, ma si lega con la lacuna lasciata dietro di sé. Proprio la coppia elettrone e lacuna formano uno stato legato che dà vita a una nuova quasi-particella, detta eccitone. Massimo Rontani, del Nano-Cnr, ha spiegato:

“Abbiamo riprodotto il comportamento collettivo di tutti questi eccitoni grazie a simulazioni numeriche sofisticate e molto affidabili basate sulla meccanica quantistica 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”.

Per ottenere questo risultato, spiega il ricercatore di Nano-Cnr e autore dello studio Daniele Varsano, il team ha scelto di ripartire da zero, non tenendo dunque conto dell’opinione consolidata secondo cui l’isolante eccitonico non poteva esistere nei nanotubi di carbonio:

“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”.

La scoperta del team italiano è di grande importanza non solo perché rappresenta la prima dimostrazione dell’esistenza dello stato di isolante eccitonico, a lungo cercato, ma anche perché si pone come un sistema ideale con potenziali e promettenti applicazioni nella nanoelettronica. I nanotubi infatti possono comportarsi come nanoscopici fili conduttori e offrono agli scienziati l’opportunità di comprendere e svelare il meccanismo del loro doppio comportamento, che può essere da metallo o da isolante.

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