Gli atomi sferici hanno la massima simmetria geometrica, e quindi esibire l'elevata molteplicità di stati quantistici, comunemente chiamato degenerazione. È stato a lungo creduto che qualsiasi specie poliatomica non possa superare una sfera a causa di limitazioni geometriche. Però, un tetraedro gonfiato esibisce la degenerazione anomala superando gli atomi sferici. Credito: Comunicazioni sulla natura
Gli scienziati del Tokyo Institute of Technology hanno teoricamente dimostrato che speciali nanostrutture tetraedriche composte da determinati metalli hanno un grado di simmetria più elevato rispetto alla simmetria geometrica degli atomi sferici. Nanomateriali con proprietà elettriche e magnetiche uniche e senza precedenti derivanti da questa simmetria saranno sviluppati e utilizzati per dispositivi elettronici di prossima generazione.
Studiare la simmetria, uno dei concetti fondamentali della fisica e della chimica, può facilitare una comprensione più profonda delle leggi che modellano il nostro universo.
Gli atomi hanno naturalmente il più alto grado di simmetria geometrica, corrispondente alla simmetria sferica. Una proprietà interessante che spesso deriva dalla simmetria è un alto grado di degenerazione, una caratteristica dei livelli di energia quantistica in cui un dato livello di energia può corrispondere contemporaneamente a due o più stati diversi in un sistema quantistico. La degenerazione dà origine a proprietà tra cui elevata conduttività e magnetismo, che potrebbe essere sfruttato per creare nuovi materiali elettronici. Sfortunatamente, dati i limiti della simmetria geometrica, nessuna sostanza è nota per avere un grado di degenerazione più alto degli atomi sferici (Fig. 1). Ma cosa accadrebbe se le sostanze potessero avere un diverso tipo di simmetria che porta a un più alto grado di degenerazione? Come si spiega una simile simmetria?
Ricercatori del Tokyo Institute of Technology, tra cui il Prof. Kimihisa Yamamoto, si proponeva di dimostrare l'esistenza di metalli con tali tipi di simmetria. Il team ha dedotto che speciali strutture tetraedriche gonfiate fatte di specifici atomi di metallo, come zinco e magnesio, può avere un tipo speciale di simmetria derivante non dalle proprietà geometriche ma dalle caratteristiche dinamiche del sistema. "Abbiamo dimostrato che il magnesio realistico, zinco, e gli ammassi di cadmio aventi una struttura tetraedrica specifica possiedono degenerazioni anomale di piega superiore rispetto alla simmetria sferica, " spiega Yamamoto.
Il team ha utilizzato un'analisi del modello strettamente vincolante, convalidato con calcoli della teoria del funzionale della densità, identificare la condizione generale relativa alle interazioni di legame tra atomi (gli "integrali di trasferimento") che danno luogo alla predetta simmetria dinamica. "Sorprendentemente, la condizione di degenerazione può essere rappresentata come un'elegante sequenza matematica a radice quadrata che coinvolge i rapporti degli integrali di trasferimento (Fig. 2). È anche impressionante che questa sequenza sia già stata scoperta da Teodoro nell'antica Grecia, indipendentemente dalla scienza dei materiali, "dice Yamamoto.
Questa ricerca ha dimostrato che è possibile realizzare nanomateriali con un grado di simmetria superiore a quello degli atomi sferici. Gli stati quantistici superdegenerati risultanti da questa simmetria dinamica potrebbero essere sfruttati in molteplici modi, come la progettazione di nuovi materiali con conduttività o proprietà magnetiche senza precedenti, annunciando la prossima generazione di dispositivi elettronici.
