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Scoperto un nuovo stato della materia

E’ disordinato, ma obbedisce alle sue regole

ansa.it 

Scoperto un nuovo stato della materia dal comportamento bizzarro (fonte: Mohammad Hasan)

Pur ‘disordinato‘ ha un proprio ordine: così si può descrivere il nuovo stato della materia dal comportamento bizzarro, osservato per la prima volta dal gruppo di fisici teorici dei Laboratori Nazionali di Los Alamos guidato dall’italiano Cristiano Nisoli,. La sua particolarità del nuovo stato della materia è che, nonostante riguardi la materia classica, si comporta secondo le leggi del regno dell’infinitamente piccolo governato dalla fisica quantistica. Il risultato, descritto sulla rivista Nature Physics, in futuro potrà essere molto utile per le tecnologie quantistiche, dall’internet del futuro alle comunicazioni, ai supercomputer.

“In fisica si pensa che la materia sia organizzata o in uno stato ordinato, come quello dei cristalli, o dei liquidi e dei gas, o più disordinato, che rispondono a temperatura e pressione. Ma esistono, come abbiamo dimostrato, degli stati di materia che pur disordinati obbediscono ad alcune regole“, spiega all’ANSA Nisoli. I ricercatori hanno lavorato su nanomagneti artificiali, chiamati ghiacci di spin, che cambiano direzione a seconda dei cambiamenti di temperatura, osservando il loro comportamento a livello microscopico.

“Di solito se la temperatura si abbassa rapidamente, l’energia del sistema scende. In questo caso invece è rimasta intappolata. Un comportamento questo – commenta Nisoli – che viola alcuni principi della termodinamica. Il sistema infatti è stato intrappolato da ‘costrizioni’ che i fisici chiamano ‘topologiche’ e che finora si erano viste solo in sistemi quantistici, non classici, cioè grossi e con più energia rispetto a quella dei sistemi quantistici”.

Dopo averlo creato artificialmente, i ricercatori vogliono ora vedere se anche in naturaesiste un materiale del genere, perchè potrebbe essere utile per diverse applicazioni pratiche. “Questo é importante perché i sistemi quantistici fanno molte cose strane e interessanti, per esempio la superconduttività.

Il ‘problema’ è che le fanno a temperature molto basse, vicine allo zero assuluto, cioè -273 gradi Celsius. I sistemi classici artificiali invece possono essere progettati per funzionare a temperature e campi più facilmente utilizzabili nella vita di tutti i giorni”.

Fonte: ansa.it/canale_scienza_tecnica

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Hanno costruito il materiale “impossibile”. Fatto con 8 tipi di nanoparticelle – Repubblica.it

Questo mix, ritenuto finora irrealizzabile, potrebbe diventare una base per le nuove tecnologie del futuro
Liangbing Hu
Liangbing Hu
ROMA – L’impossibile è diventato possibile con il primo materiale formato da 8 diversi tipi di nanoparticelle, un mix ritenuto finora irrealizzabile. Questo progresso rivoluzionario, che apre la strada a una nuova generazione di nanomateriali, si deve ad un gruppo di ricerca guidato dall’Università del Maryland che ha pubblicato i suoi risultati guadagnandosi la copertina della rivista Science.
La ricerca costituisce un gigantesco passo avanti rispetto ai tentativi precedenti, che erano riusciti a miscelare solo 3 elementi diversi, ma senza ottenere un materiale omogeneo.  “Immaginate che gli elementi che si combinano per creare nanoparticelle siano dei mattoncini Lego”, spiega Liangbing Hu, alla guida del gruppo: “Se hai solo tre colori e misure le combinazioni che puoi assemblare sono molto poche. Essenzialmente noi abbiamo allargato la cesta dei giocattoli e ora possiamo costruire una varietà enorme di nanomateriali”.
I ricercatori hanno utilizzato un metodo in due passaggi: un riscaldamento rapidissimo seguito da un raffreddamento altrettanto veloce. Gli elementi sono stati prima esposti per meno di mezzo secondo ad un rapido shock termico a circa 1.650 gradi Celsius, che ha reso uniforme la miscela di 8 elementi. Subito dopo il composto ha subito un vertiginoso raffreddamento alla velocità di più di 50.000 gradi al secondo, che ha stabilizzato il nuovo materiale. “Usando un approccio legato alla fisica invece che alla chimica”, ha aggiunto Yonggang Yao, uno degli autori dello studio, “abbiamo realizzato l’irrealizzabile”.
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Quando la luce diventa liquida

CNR.IT Comunicato stampa 20/03/2018

Una ricerca condotta dai ricercatori dell’Istituto di nanotecnologia del Cnr rivela la formazione spontanea di ordine topologico in un sistema fotonico. In pratica, le interazioni sono in grado di ‘sintonizzare’ spontaneamente i fotoni fra loro, neutralizzando la dissipazione energetica. Il lavoro, pubblicato su Nature Materials, contribuisce all’espansione del moderno campo di ricerca in fluidi quantistici di luce.

Uno studio condotto recentemente dall’Istituto di nanotecnologia del Consiglio nazionale delle ricerche (Nanotec-Cnr) di Lecce rivela che i fotoni, ovvero particelle di luce, si possono ‘sintonizzare’ spontaneamente fra loro, quando l’interazione è sufficientemente forte, formando ordine là dove non ce ne dovrebbe essere. Questo significa che uno dei risultati più importanti della fisica del secolo scorso, ovvero la scoperta di un ordine ‘topologico’ della materia, premiato dal Nobel 2016, viene esteso a sistemi fatti di luce e potrebbe diventare la base per future tecnologie. I risultati sono pubblicati sulla rivista Nature Materials.

Condensati di luce
Dettaglio del setup sperimentale del laboratorio di fotonica avanzata nel centro Nanotec-Cnr di Lecce. A destra, progressiva formazione ed estensione della fase ordinata di un condensato di luce

“La meccanica statistica pone condizioni precise affinché queste ‘transizioni di fase’ possano essere osservate in natura. Una transizione di fase avviene quando, al variare di un parametro (di solito la temperatura) cambiano improvvisamente le relazioni fra i costituenti elementari di un sistema”, spiega Daniele Sanvitto, coordinatore del gruppo di fotonica avanzata del Nanotec-Cnr di Lecce. “Per esempio, nel passaggio da una fase più ordinata (liquido) ad una più disordinata (gassoso), oppure nell’emergere di un ordine reticolare nei cristalli o nell’allineamento dei campi magnetici microscopici in un ferromagnete. Ciò è vero anche a livello quantistico: in un condensato di Bose-Einstein, ogni atomo diventa indistinguibile dagli altri al di sotto di una certa temperatura. Ma le transizioni di fase dipendono fortemente dalla dimensionalità del sistema e in sistemi bidimensionali, ovvero confinati in uno spazio a sole due dimensioni, le fasi ordinate sono instabili anche a temperature molto basse favorendo la formazione di strutture disordinate. In questi sistemi esiste però una fase particolare chiamata ‘ordine topologico’, in cui le irregolarità di segno opposto si neutralizzano a vicenda, simmetricamente, e rimangono localizzate in punti spaziali relativamente piccoli, annullando gli effetti a lunga distanza”.

Nel 2016, il Nobel per la fisica è stato assegnato a David Thouless, Duncan Haldane e Michael Kosterlitz per i loro studi, risalenti agli anni ’80, sulle fasi topologiche della materia e le transizioni di fase topologiche in strati bidimensionali sottili, un campo di ricerca di crescente importanza per capire le proprietà quantistiche della materia. “Tuttavia molte domande rimangono irrisolte. La più importante riguarda cosa succede quando il sistema non è isolato, ma in costante interazione con l’esterno e possibilmente fuori equilibrio termico”, afferma Dario Ballarini, ricercatore Nanotec-Cnr e autore dello studio. “Uno dei risultati principali del lavoro è stato appunto l’estensione di questo schema a sistemi fatti di luce e materia, dove la componente fotonica ci permette di lavorare a temperature più alte e può essere utile per applicazioni tecnologiche, ma limita l’isolamento del sistema”.

In questo caso i ricercatori impiegano microcavità di semiconduttore dove la luce rimane confinata in sottili strati bidimensionali per un certo tempo prima di essere riemessa. “La differenza principale rispetto al caso di soli atomi è che i fotoni sono molto più leggeri e veloci e bisogna considerare anche la dinamica delle relazioni d’ordine. Per avere ordine topologico non è infatti sufficiente la coerenza spaziale fra due punti distanti, ma è necessaria anche quella temporale, cioè quella del punto con se stesso in tempi diversi. Per fare ciò bisogna intrappolare la luce sufficientemente a lungo da permettere alle interazioni di prevalere sul disordine e, per la prima volta, siamo riusciti a dimostrarlo. Si potrebbe dire che la luce si è fatta liquida”, conclude Ballarini

Roma, 20 marzo 2018

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Nuovo stato della materia scoperto nei nanotubi di carbonio

https://www.cnr.it – Comunicato stampa 21/03/2018

Uno studio Cnr rivela che nei nanotubi di carbonio, ottenuti arrotolando il grafene, con raggio di pochi nanometri e lunghi quanto il diametro di un capello, si realizza l’isolante eccitonico, predetto mezzo secolo fa dal premio Nobel Walter Kohn e finora mai confermato in modo convincente. La ricerca, pubblicata su Nature Communications, aiuta a far luce sulla natura isolante o conduttiva dei nanotubi di carbonio.

Nanotubo di carbonio – Un elettrone (rosso) lungo un nanotubo di carbonio è ‘legato’ alla buca (blu) che si lascia dietro e forma un eccitone

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”.

I 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”.

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La Fotonica

Il crescente progresso della fotonica è legato all’unione di scienza e applicazioni tecnologiche volte al trasporto e alla manipolazione della luce, visibile e non visibile. Il rapido sviluppo è stato raggiunto grazie ai continui avanzamenti nelle nanotecnologie, nella scienza dei materiali, nell’ottica e nelle tecniche di micro-fabbricazione. I polimeri giocano un importante ruolo nello sviluppo dei materiali per la fotonica.

Fotonica

Le aspettative riposte nei polimeri, come materiali scelti per la fabbricazione di componenti ottici altamente integrati, sono motivate dalla rapida processabilità, dal basso costo e dalle buone prestazioni ottiche e meccaniche. >>>>>>

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Innovazione tecnologica

L’innovazione tecnologica può essere definita come l’attività deliberata delle imprese e delle istituzioni tesa a introdurre nuovi prodotti e nuovi servizi, nonché nuovi metodi per produrli, distribuirli e usarli. Condizione necessaria per l’innovazione è che essa venga accettata dagli utilizzatori, siano essi i clienti che acquistano il nuovo bene o servizio sul mercato, o i fruitori di un servizio pubblico.

Sembra che non ci sia nessun aspetto della vita moderna che non sia stato toccato, e plasmato, da Thomas Alva Edison. Dalla luce, con la lampadina (che non ha inventato, ma portato a perfezione tecnica e, soprattutto, commerciale), al suono, con il fonografo. Ma è suo anche il primo modello di cinepresa, e i sistemi di distribuzione dell’energia elettrica, e dell’informazione telegrafica Il tutto, con la passione dello scienziato (che non era, ma che sapeva scovare) e l’intuito del grande imprenditore, che sapeva pensare a cose di utilità comune, da vendere in massa. Un genio della sua epoca e della nostra, Edison: da quando è passato lui nulla è stato più uguale a prima. Fonda 14 aziende (di cui una è la General Electric) e crea più di 1000 brevetti, in America e nel resto del mondo, diventando molto ricco. E porta la luce nel mondo.

L’innovazione può avere diversi gradi di novità. Le innovazioni incrementali consistono nel perfezionamento di un prodotto, di un processo o di un servizio rispetto al modello esistente e mirano al miglioramento della qualità, delle prestazioni, dell’adattabilità dei prodotti, nonché alla riduzione dei costi di produzione o di vendita. >>>>>>