Attività di ricerca

L'attività di ricerca dell'Istituto SPIN è organizzata in cinque commesse:

1) Proprietà dinamiche, elettroniche e di trasporto in sistemi complessi e materiali funzionali (MD.P02.023)

Tematiche di ricerca
i) fenomeni emergenti in materiali disordinati soffici, quali sistemi colloidali, gel e granulari, riguardanti le proprietà termodinamiche, meccaniche, geometriche e reologiche;
ii) sistemi elettronici fortemente correlati, quali cuprati, manganiti e sistemi organici;
iii) trasporto quantistico di carica e/o spin in nanostrutture;
iv) proprieta' elettroniche, ottiche, strutturali e di trasporto di superfici e nanostrutture, con particolare riferimento a sistemi ibridi organico-inorganico ed ai materiali organici;
v) materiali innovativi per le energie rinnovabili;
vi) studio di nanodispositivi quantistici e degli effetti di decoerenza su di essi.

Stato dell'arte
Tra i molti problemi aperti nell'ambito delle tematiche di ricerca ricordiamo:
i)la comprensione della transizione di jamming/unjamming in sistemi termici e non termici (vetri, gel e granulari);
ii)l'individuazione delle proprietà di sistemi quali grafene e nanostrutture basate sul carbonio, materiali e superfici ibridi organico-inorganico e ossidi nanostrutturati in vista di possibili dispositivi di nuova concezione;
iv)l'interpretazione di esperimenti quali la fotoemissione risolta in angolo e gli spettri fononici nei cuprati "underdoped" alla luce dell'evidenza di una sostanziale interazione elettrone-fonone in presenza di forti correlazioni elettroniche;
v)la comprensione del ruolo dell'interazione elettronica nello studio del trasporto in nanodispositivi, essendo stato provato il loro ruolo cruciale nel condizionare le proprieta' dinamiche dei dispositivi.

Obiettivi principali della commessa sono:
i)sviluppo di materiali soffici disordinati con nuove proprietà termodinamiche, meccaniche, geometriche e reologiche;
ii)studio da principi primi e modellistica di materiali multifunzionali per l'ottica e l'elettronica (grafene, nanostrutture basate sul carbonio e ossidi nanostrutturati con adsorbati organici per celle fotovoltaiche di nuova generazione), materiali organici, cuprati;
iii)integrazione di metodologie di calcolo differenti per elaborare modelli "multiscala"
iv)determinazione delle proprietà di trasporto in nanostrutture interagenti (quantum dots, eterostrutture F/S)
v)studio delle proprietà di trasporto quantistico fuori equilibrio in nanodispositivi basati su quantum dots, nanotubi di carbonio, transistor molecolari).

2) Materiali e meccanismi della superconduttività e sue applicazioni di potenza (MD.P04.023)

Tematiche di ricerca
La ricerca è incentrata sullo studio di materiali superconduttori. Per questo verranno prodotti campioni in forma di bulk, cristalli, film sottili, fili e cavi che verranno caratterizzati con numerose tecniche di indagine strutturale, morfologica e fisica. Le proprietà superconduttive saranno investigate avvalendosi di diverse tecniche di caratterizzazione elettrica, magnetica, termica, di rumore elettrico e di stabilità. L'attività sperimentale sarà supportata da modelli fenomenologici e da modelli teorici.
In particolare si studieranno i superconduttori a base di Fe (FeSC) col duplice scopo di comprendere i meccanismi alla base della superconduttività e di indagare le loro potenzialità applicative e lo studio verrà esteso ad altri sistemi in cui la superconduttività coesiste con l'ordinamento magnetico.
Per quanto riguarda gli aspetti applicativi la commessa è dedicata allo sviluppo tecnologico di fili e cavi superconduttori (principalmente di MgB2 ma anche di FeSC e di superconduttori ad alta Tc, HTSC) per il loro impiego in applicazioni di potenza. Questa ricerca si inserisce nello sviluppo e trasferimento di nuove tecnologie fabbricative che consentiranno un più rapido impiego industriale della superconduttività.
Un'attività correlata che viene svolta all'interno della commessa riguarda l' implementazione e applicazione di metodi computazionali per analisi dati, ricostruzione ed elaborazione di immagini in ambito fisico e biomedicale.

Stato dell'arte
Le scoperte dei superconduttori ad alta Tc e recentemente di quelli a base di Fe hanno mostrato che non ci sono limiti all'innalzamento della Tc, ma che questo è possibile grazie a meccanismi non convenzionali. Un aspetto della ricerca riguarda quindi i meccanismi che sono responsabili della superconduttività e come influenzano le proprietà superconduttive importanti per le applicazioni.
Lo studio di questi materiali si presta quindi sia alla ricerca di base che di quella applicata, attraverso l'impiego di tecniche di indagine multidisciplinari rivolte allo studio delle proprietà elettroniche, strutturali, chimiche, morfologiche, nonché alla caratterizzazione delle proprietà funzionali strettamente connesse all'ottimizzazione delle prestazioni del materiale stesso. Nel panorama dei superconduttori interessanti per le applicazioni, da quelli tradizionali a bassa temperatura (LTS) a quelli agli HTSC, includendo i più recenti, non convenzionali a causa della natura a molte bande (MgB2), o alla presenza di Fe (FeSC), molti aspetti necessitano un ulteriore approfondimento, quali per esempio il comportamento granulare, gli stati dissipativi al di sopra della corrente critica.

Obiettivi principali della commessa sono:
o Preparazione di superconduttori FeSC in forma di bulk, film sottili e ottimizzazione delle tecniche di sintesi;
o Studio teorico e sperimentale di proprietà strutturali, trasporto, termiche, ottiche, magnetiche dei FeSC;
o Studio sperimentale e teorico delle proprietà superconduttrici, campi critici, fluttuazioni termodinamiche e dei fenomeni dissipativi e dei meccanismi di pinning in presenza di campo magnetico ed al variare della temperatura e nel limite di alte correnti;
o Studio di fluttuazioni magnetiche in prossimità di transizioni di fase quantistiche in fermioni pesanti;
o Indagine sui diagrammi di fase di materiali superconduttori con tecniche di calorimetria differenziale ed analisi termo gravimetrica;
o Spettroscopia di rumore elettrico per la riduzione del rumore intrinseco del materiale
o Sviluppo e test di nastri e cavi di MgB2 e miglioramento delle prestazioni in alto campo;
o Acquisizione di nuove conoscenze per lo sviluppo di nastri/fili di MgB2 operanti in corrente alternata (perdite a.c., perdite isteretiche, perdite da correnti indotte);
o Studio della stabilità in nastri HTS (propagazione del quench, flux jumps);
o Ricostruzione e classificazione di sorgenti neurali da misure del campo biomagnetico in magnetoencefalografia utilizzando SQUID ;
o Studio di fenomeni di instabilità e inomogeneità del campo magnetico in scanner di Risonanza Magnetica, riduzione degli effetti sulle immagini e integrazione con immagini funzionali;
o Elaborazione di immagini a raggi X in fisica del plasma.


3) Dispositivi e nanostrutture superconduttive, ibride e quantistiche (MD.P04.024)

Tematiche di ricerca
La commessa copre lo spazio culturale individuato dalle seguenti tematiche:
- dispositivi con superconduttori ed ibridi: meccanismi di trasporto, effetto Josephson e funzionalità applicative;
- dispositivi mesoscopici e nanostrutture con superconduttori: elementi di nanoscienza in superconduttività;
-dispositivi superconduttivi ed ottici per informazione quantistica: studi di coerenza e dissipazione, effetti quantistici macroscopici come probe della natura quantistica della superconduttività nei vari sistemi e read-out per qu-bits;
- coesistenza di superconduttività e magnetismo; nanostrutture ibride superconduttori/materiali magnetici,polimerici e nano compositi;
- superconduttività di non equilibrio, rivelatori superconduttori di radiazione e particelle
- superconduttività ad alta temperatura critica: meccanismi di pairing in sistemi fortemente correlati tramite esperimenti di trasporto su scala nanoscopica
- nuovi dispositivi basati su materiali superconduttori
- SQUID per analisi non distruttiva sui materiali per applicazioni aerospaziali e su cavi superconduttori per applicazioni aerospaziali e su cavi superconduttori per applicazioni di potenza

Stato dell'arte
La capacità di mantenere coerenza quantistica su scala macroscopica rende le giunzioni Josephson candidate ideali per la realizzazione di circuiti quantistici. Queste considerazioni sono incoraggiate da un'intensa attività di ricerca che ha spaziato dall'individuazione dei sistemi coerenti alla misura dei tempi di coerenza, dalla manipolazione degli stati allo sviluppo di sistemi di read-out, a studi sulle fonti di decoerenza e dissipazione. Nel campo ottico la possibilità di realizzare stati entangled in fasci viaggianti e la realizzazione di schemi per la purificazione in cui si utilizzino rivelatori a superconduttore in grado di discriminare un basso numero di fotoni ha aperto nuovi scenari per la realizzazione di sistemi ibridi -dispositivi superconduttori e schemi ottici- che potrebbero rappresentare una delle chiavi per la realizzazione di computer quantistici di nuova concezione.
Le recenti dimostrazioni della coerenza quantistica macroscopica in HTS (tunneling quantistico macroscopico ed attivazione dei livelli quantistici macroscopici di energia) e la realizzazione di una innovativa sorgente di entanglement ottico ad onda continua sono importanti premesse.

Obiettivi principali della commessa sono:
Si intende contribuire ad una piattaforma ibrida quantistica ed al design e caratterizzazione di nanostrutture e nanofili per studi di base e per applicazioni nella sensoristica. Giunzioni, nano-anelli e nanofili sono le cellule elementari.
Le attività di ricerca HTS possono offrire funzionalità specifiche e protocolli di read-out unici per qubit, promuovendo studi innovativi su effetti quantistici macroscopici, coerenza e dissipazione in sistemi a stato solido.
Altro obiettivo cruciale è la realizzazione e lo studio di sistemi ibridi. All'interfaccia superconduttore/metallo normale avviene una commistione di fase microscopica e macroscopica su scale di lunghezze e di energie caratteristiche che variano in funzione dei materiali e della natura/geometria del campione, potente metodo di indagine per fenomeni coerenti e sorgente di ispirazione per nuovi principi di funzionamento per dispositivi. Interfacce fra superconduttori/ferro magneti sono interessate da fenomeni analoghi. Più in generale la coesistenza di superconduttività e magnetismo è tema di interesse, indagato su varie strutture con metodologie complementari.

4) Fenomeni cooperativi in materiali avanzati con ordine magnetico e/o dipolare elettrico (MD.P04.025)

Tematiche di ricerca
Realizzazione di materiali correlati spin-carica-orbitale in forma di film sottili, monocristalli e in forma massiva orientati. La fabbricazione di interfacce controllate in eterostrutture epitassiali ed in eutettici, la produzione di nano-particelle tramite ablazione laser con impulsi ultra-corti (< 1 ps) e le problematiche intrinseche ai meccanismi di crescita per deposizione laser pulsata saranno oggetto di studio di questa commessa.
Studio delle proprietà fisiche mediante tecniche di interazione radiazione-materia quali spettroscopie ottiche, microscopia tunnel e a forza atomica, diffrazione elettronica, fotoemissione. Verranno utilizzate diagnostiche in-linea e real-time basate su tecniche ottiche ed esperimenti di diffrazione X, di microscopia elettronica a scansione, di suscettività a.c. e d.c., di magneto-resistenza, di caratteristiche tensione-corrente.
Modellizzazione teorica mediante tecniche ab-initio, di approcci a molti corpi, tecniche di indagine analitiche e numeriche nell'ambito dei sistemi a forte correlazione. L'attenzione verrà concentrata sulla determinazione delle proprietà strutturali, magnetiche, elettroniche, ferroelettriche.

Stato dell'arte
Lo studio delle proprietà non convenzionali di sistemi complessi quali perovskiti, ossidi, ferroici e multiferroici (ad esempio rutenati, titanati, magnetiti, nichelati, manganiti, ferriti, fluoruri, solfuri, organici) sono problemi ancora aperti a causa della presenza di interazioni e/o scale di energia in competizione. Queste classi di materiali sono prototipi per insorgenza di effetti di correlazione elettronica, in cui il delicato bilancio tra diverse scale di energie, tra loro in competizione, si traduce in una vasta gamma di proprietà e in diagrammi di fase particolarmente complessi. Le indagini dei meccanismi alla base delle loro anomale proprietà elettroniche e magnetiche sono oggetto di un crescente interesse nella comunità scientifica internazionale come testimoniato dalla notevole quantità di lavori scientifici pubblicati in riviste ad alto impatto e dalle numerose conferenze internazionali che si tengono ogni anno sull'argomento.

Obiettivi principali della commessa sono:
Contribuire significativamente a livello internazionale alla comprensione dei meccanismi alla base delle fenomenologie osservate. In particolare, le attività di ricerca saranno focalizzate sull'interplay tra gradi di libertà strutturali ed elettronici e sulle conseguenze che tali interazioni hanno sulle proprietà di interesse (ferroelettricità, configurazione di spin di stato fondamentale, transizioni metallo-isolante) come sulla coesistenza tra superconduttività e ordinamento magnetico di varia natura.
Contribuire a migliorare il livello della comunità scientifica italiana nell'ambito dei materiali innovativi realizzati come cristalli, come multistrati nonchè come sistemi ibridi, interfacce e film nanostrutturati rendendo questi risultati disponibili alla comunità nazionale.
Partecipare all'avanzamento della conoscenza nell'ambito dei sistemi ad elettroni correlati intensificando un lavoro sinergico mirato allo sviluppo di attività di ricerca basate sulla collaborazione e sulla complementarità di competenze diverse in modo da raggiungere una maggiore comprensione della relazione tra le condizioni di crescita dei materiali e le proprietà ottiche, magnetiche e di trasporto.


5) Materiali multifunzionali innovativi e dispositivi per l'elettronica e l'energetica (MD.P04.026)

Tematiche di ricerca
1) Sintesi e studio delle proprietà di composti (ossidi, calcogenuri,..) di metalli di transizione e di composti organici o ibridi di interesse applicativo nei campi dell'elettronica, della spintronica e dell'energetica.
2) Studio dei fenomeni di interfaccia in eterostrutture costituite da materiali funzionali.
3) Dispositivi innovativi per applicazioni in elettronica, optoelettronica, spintronica, sensoristica ed energetica
4) Realizzazione e studio di materiali nanostrutturati dotati di proprieta' controllabili artificialmente mediante l'ottimizzazione della morfologia alla nanoscala.


Stato dell'arte
I recenti sviluppi nel campo della fabbricazione di materiali sotto forma di film sottili, nanostrutturati o di cristalli singoli, hanno aperto la strada verso nuove tecnologie e la realizzazione di dispositivi innovativi. Recentemente, molta attenzione è stata posta su materiali multifunzionali come composti dei metalli di transizione ed organici quali polimeri azo-benzenici e materiali oligomerici che posseggono un ampissimo spettro di proprietà fisiche la cui comprensione non è stata ancora completamente acquisita e che sono facilmente modificabili agendo su parametri strutturali, morfologici o chimici (doping, nano-struttura, dimensioni) o sottoponendo il materiale a stimoli esterni quali campi elettrici, campi magnetici, radiazione, o deformazione meccanica. La controllabilità delle proprietà di questi materiali attraverso parametri esterni rende questi materiali adatti alla realizzazione di dispositivi o sensori che possano trovare un futuro impiego in elettronica, spintronica o energetica.

Obiettivi principali della commessa sono:
- sintesi di materiali multifunzionali innovativi in forma di nanoparticelle, film sottili o bulk
- studio delle proprietà fondamentali di materiali innovativi di interesse per applicazioni in energetica, elettronica, optoelettronica e spintronica
- realizzazione di dispositivi innovativi basati su materiali multifunzionali come composti di metalli di transizione (ossidi, calcogenuri etc, ) materili organici o ibridi organico e inorganico