Rivoluzionari materiali 2D: il futuro delle tecnologie ottiche

Il fisico Christian Schneider e il progetto Dual Twist alla ricerca di nuovi orizzonti quantistici

Il fisico quantistico tedesco Christian Schneider ha ottenuto un prestigioso riconoscimento sotto forma di una sovvenzione ERC Consolidator dal Consiglio Europeo della Ricerca (ERC). Questo finanziamento, del valore di circa due milioni di euro, sarà destinato alla sua ricerca innovativa sui materiali bidimensionali e sulle loro proprietà ottiche.

Schneider e il progetto Dual Twist

Schneider, attualmente professore presso l’Università di Oldenburg in Germania, si concentrerà nei prossimi cinque anni sul progetto Dual Twist. Questa iniziativa si focalizza su una nuova categoria di materiali atomicamente sottili e sulle loro straordinarie caratteristiche, che promettono di portare significativi progressi nelle tecnologie ottiche.

  • In collaborazione con il suo team, Schneider svilupperà appositi set-up sperimentali per esaminare le peculiari proprietà dei materiali in questione utilizzando la luce, preparando così il terreno per la loro futura applicazione nelle tecnologie quantistiche.
  • Le sovvenzioni ERC Consolidator mirano a sostenere scienziati di eccellenza impegnati in ricerche innovative in Europa, aiutandoli a consolidare la propria indipendenza scientifica.
  • Su un totale di 2313 proposte, l’ERC ha selezionato 328 progetti per il finanziamento, di cui 67 sono basati in Germania.

Il commento del Prof. Dr. Ralph Bruder

Il Prof. Dr. Ralph Bruder, Presidente dell’Università di Oldenburg, ha commentato il finanziamento affermando: “Christian Schneider è un ricercatore eccezionale che ha già ricevuto una Starting Grant dall’ERC. Il fatto che abbia ottenuto nuovamente un finanziamento europeo di alto livello rappresenta un importante riconoscimento dei suoi successi e dimostra che l’Istituto di Fisica di Oldenburg è ben equipaggiato per il futuro, con la possibilità di investigare fenomeni quantistici complessi”.

Christian Schneider
Christian Schneider è un esperto di materiali quantistici atomicamente sottili. Nel suo nuovo progetto, intende investigare i doppi strati di questi materiali bidimensionali. Negli ultimi anni gli scienziati hanno scoperto che le proprietà ottiche, meccaniche ed elettroniche di queste strutture possono essere fondamentalmente alterate torcendo le loro reti cristalline l’una contro l’altra – un campo emergente noto come twisttronica.
Università di Oldenburg / Daniel Schmidt

Il nuovo progetto si concentra sui materiali bidimensionali, noti anche come materiali 2D. Questi solidi sono estremamente sottili, spesso con uno spessore inferiore a un nanometro, costituiti da pochi strati atomici. In questi materiali, le proprietà fisiche fondamentali, come la conducibilità elettrica, subiscono variazioni rispetto ai solidi tridimensionali, permettendo al contempo di osservare interessanti fenomeni quantistici.

Schneider, che guida il gruppo di ricerca sui Materiali Quantistici presso l’Università di Oldenburg, ha recentemente ottenuto risultati significativi. Nel 2021, il suo team è riuscito a far emettere luce laser coerente dai materiali 2D sia a temperature estremamente basse che a temperatura ambiente, un traguardo che potrebbe aprire la strada allo sviluppo di nano-laser altamente versatili di prossima generazione.

I bilayers e le strutture Moiré

Nel progetto Dual Twist, Schneider e il suo team si concentreranno sui doppi strati (bilayers) di questi materiali 2D, che offrono molteplici opportunità rispetto ai cristalli a singolo strato. Ruotando due strati, i materiali possono subire profonde trasformazioni. Recentemente, gli scienziati hanno scoperto che le proprietà ottiche, meccaniche ed elettroniche delle strutture bilayer possono essere radicalmente modificate ruotando le loro reti cristalline l’una rispetto all’altra.

Un esempio ben noto di questo fenomeno è il grafene, una forma speciale di carbonio composta da un singolo strato di atomi disposti in una rete esagonale. Sovrapponendo e ruotando leggermente due di queste reti, si generano interessanti pattern noti come strutture Moiré. Questi pattern influenzano il comportamento degli elettroni nel grafene, trasformandolo da conduttore a isolante elettrico o superconduttore.

Twistronics e simulazioni quantistiche

Questo campo di ricerca emergente è noto come twistronics, e Schneider è particolarmente interessato alle proprietà ottiche dei bilayers twistati. Per gli esperimenti nel nuovo progetto, lui e il suo team utilizzeranno materiali semiconduttori speciali con cui hanno già lavorato in studi precedenti. Questi campioni saranno posizionati tra due strati di materiali riflettenti, creando una sorta di “gabbia per la luce” nota come microcavità. In questo setup, il team stimolerà i materiali 2D per generare nuovi stati quantistici che potrebbero trovare applicazioni nelle tecnologie quantistiche.

In un approccio innovativo, il team intende anche analizzare le proprietà dei materiali utilizzando una tecnica di simulazione quantistica. Poiché i materiali 2D in esame sono troppo complessi per essere modellati con i moderni metodi di simulazione, i ricercatori costruiranno un simulatore quantistico in cui i fotoni intrappolati nelle microcavità verranno impiegati per simulare i materiali reali. Questo approccio permetterà agli scienziati di osservare da vicino gli stati quantistici emergenti e le interazioni tra le particelle, aprendo la strada al controllo di stati quantistici precedentemente inaccessibili e alla loro futura applicazione nelle tecnologie quantistiche.

Christian Schneider, Professore di Materiali Quantistici presso l’Istituto di Fisica dell’Università di Oldenburg dal 2020, ha già guidato un gruppo di ricerca presso l’Università di Würzburg, dove nel 2016 ha ottenuto una Starting Grant di 1,5 milioni di euro dall’ERC per il suo progetto unlimit2D.