Uno studio guidato dall’Istituto nanoscienze del Cnr migliora la visualizzazione dei legami chimici nei sistemi quantistici complessi
Un team di ricercatori guidato da Stefano Pittalis dell’Istituto nanscienze del Cnr (Cnr Nano) ha migliorato le capacità della funzione di localizzazione elettronica (ELF), uno metodo ampiamente usato per descrivere i legami chimici e la distribuzione degli elettroni negli atomi. Poiché l’ELF tradizionale non si applica a stati quantistici della materia complessi, i ricercatori hanno proposto una versione estesa di questa funzione, attesa da tempo. Il risultato, pubblicato sulla rivista Physical Review Letters, potrebbe migliorare la modellazione dei materiali, con implicazioni sia teoriche che pratiche nel campo della nanomagnetismo.
La collaborazione ha coinvolto Jacques K. Desmarais e Alessandro Erba dell’Università di Torino, Giovanni Vignale della National University of Singapore, Kamel Bencheikh dell’Università Ferhat Abbas (Algeria) e Stefano Pittalis del Cnr Nano di Modena, come coordinatore.
L’Electron Localization Function (ELF) è diventata uno dei metodi più usati per visualizzare i legami chimici, mostrando dove si localizzano gli elettroni per formare legami. Le immagini prodotte dall’ELF permettono agli scienziati di comprendere l’organizzazione degli elettroni nei materiali, una conoscenza che può essere sfruttata per progettare nuovi materiali o ottimizzare quelli esistenti. Nel nuovo studio, Pittalis e colleghi hanno esteso l’ELF in modo da renderla applicabile anche a materiali magnetizzati complessi, come ad esempio quelli rilevanti nello sviluppo della spintronica. Il nuovo ELF è stato progettato per offrire uno strumento coerente e affidabile per visualizzare e quindi modellare i legami, non solo negli stati convenzionali
In particolare la nuova ELF è stata estesa ai cosiddetti stati di materia magnetizzati in modo non collinare. “In questi stati la direzione della magnetizzazione varia da punto a punto nel materiale, e le assunzioni alla base dell’ELF tradizionale non sono più valide”, spiega Pittalis. “Questo ha sollevato da tempo la questione se l’ELF potesse essere estesa per funzionare anche per stati magnetizzati non collineari, una domanda alla quale il nostro lavoro ha dato risposta positiva”.
Lo studio ha richiesto l’uso di meccanica quantistica avanzata per sistemi a molti corpi, derivazioni analitiche e l’implementazione software nel codice Crystal. “La nostra estensione dell’ELF considera in modo uguale sia le proprietà orbitali che quelle di spin degli elettroni. Per svilupparla, ci siamo ispirati ai principi e ai metodi della teoria di Yang-Mills, un’estensione quantistica dell’elettromagnetismo classico, utile per descrivere le interazioni fondamentali complesse tra i costituenti della materia”, afferma Pittalis. “È notevole come l’ELF estesa non solo consenta la visualizzazione dei legami chimici nei sistemi magnetici complessi, ma migliori anche la descrizione dei sistemi magnetizzati più semplici.”
I materiali magnetici trovano applicazioni tecnologiche di vasta portata, e la spintronica offre un approccio innovativo sfruttando lo spin degli elettroni, piuttosto che la carica, per elaborare informazioni in modo più efficiente e con un minore consumo energetico. Strumenti di modellazione semplici ed efficaci, come l’ELF, possono aiutare a progettare materiali o stati della materia per raggiungere al meglio questi obiettivi tecnologici. Inoltre, l’ELF rappresenta un importante input per altri metodi moderni di indagine e simulazione della struttura elettronica dei materiali. L’ELF estesa sviluppata in questo lavoro potrà essere sfruttata in molteplici direzioni avanzate.
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