Come mantenere l’acqua liquida a -48°C

Sale a 16 il numero di ERC vinti (dal 2008, anno in cui queste borse sono state istituite) dalla SISSA. Ad aggiudicarsi qualche giorno fa un ERC Advanced Grant di quasi un milione e mezzo di euro questa volta è Michele Fabrizio, professore della SISSA nell’area di Fisica. Il progetto, che durerà 5 anni, studierà in maniera approfondita i meccanismi e le applicazioni delle transizioni di Mott di primo ordine, cioè transizioni discontinue fra uno stato metallico e uno isolante prodotte da una forte repulsione Coulombiana fra gli elettroni, un fenomeno fisico ritenuto promettente per la creazione di nuovi dispositivi per l’elettronica.

La “Mott-tronica” è infatti uno dei campi che secondo la comunità scientifica potrebbe affiancarsi (o addirittura sostituirsi) all’attuale tecnologia basata sul silicio. Fabrizio (coordinatore del progetto) e colleghi studieranno le condizioni che provocano e favoriscono la natura discontinua delle transizioni di Mott e le loro proprietà fisiche di interesse per potenziali applicazioni tecnologiche.

Ma che cos’è una transizione di primo ordine e perché può essere interessante quando avviene fra una fase isolante e una metallica? “Facciamo un esempio con un materiale molto comune, l’acqua” spiega Fabrizio. “Sappiamo che l’acqua diventa ghiaccio a 0°C proprio attraverso una transizione di primo ordine. In realtà, è possibile prolungare la sua permanenza nello stato liquido anche sotto questa temperatura critica: basta raffreddarla in maniera opportuna e si può arrivare fino a -48°C prima della transizione allo stato solido. In questo intervallo di temperatura l’acqua può quindi assumere sia uno stato solido, che è quello di equilibrio, sia uno stato liquido, che invece è metastabile e, infatti, basta un colpo al recipiente perché l’acqua diventi subito ghiaccio”. 

Se il ruolo dell’acqua liquida fosse interpretato dal metallo e quello del ghiaccio dall’isolante, è facilmente immaginabile l’interesse che questa condizione di non-equilibrio dell’acqua sopra-raffreddata potrebbe avere nel contesto di una transizione di Mott.

Fino ad ora la natura di primo ordine delle transizioni di Mott è stata relativamente poco studiata se non completamente ignorata, una lacuna che il progetto mira a colmare. “Materiali che passano attraverso transizioni di primo ordine da uno stato conduttore a uno isolante, stati che quindi coesistono proprio come l’acqua liquida e il ghiaccio in un intervallo di temperatura/pressione/ecc.. ”, continua Fabrizio, “potrebbero avere interessanti applicazioni in campo tecnologico. Da molto tempo gli scienziati cercano infatti un modo di sostituire la tecnologia basata sul silicio tradizionalmente usata oggi, e questi materiali isolanti di Mott sono fra i candidati”.

Nei prossimi 5 anni dunque Fabrizio e colleghi studieranno le caratteristiche di questi materiali e le condizioni in cui si verifica il fenomeno.