La Fisica dei Sistemi di Moiré e le sue analogie
Rubén G. Barrera e Giuseppe Pirruccio

In questo articolo esponiamo l’obiettivo di uno dei progetti di ricerca scientifica piú importanti finanziati in Messico recentemente.
Questo vede la partecipazione di universita locali e straniere, includendo un ricercatore italiano dell’Unviersita Nazionale Autonoma del Messico e l’Universita di Padova. In questo progetto, che ha ricevuto circa un milione di euro dalla agenzia di finanziamento CONACyT, si cerca di comprendere alcuni fenomeni fisici particolari che si manifestano in sistemi bidimensionali. Questo obiettivo non è legato a un campo di applicazione specifico, ma mira alla comprensione approfondita del comportamento di tali sistemi, il che ci consentirà di ampliare il confine della nostra conoscenza.
Il modo più semplice per spiegare l’oggetto di questo progetto è analizzare il suo titolo: “Analogie nella fisica dei sistemi bidimensionali ruotati: dalla scala atomica alla scala nanometrica”.
​Prima di tutto, è importante chiarire che i sistemi bidimensionali a scala atomica sono insiemi di atomi legati tra loro, i quali formano uno strato estremamente sottile dello spessore di un singolo atomo, molto inferiore a un millesimo di micrometro, essendo il micrometro la millesima parte di un millimetro. D’altra parte, il termine “scala nanometrica” implica che le lunghezze rilevanti del sistema saranno espresse in nanometri; un nanometro corrisponde a una miliardesima parte di un metro. Pertanto, i sistemi bidimensionali a scala nanometrica sono insiemi di particelle di dimensioni nanometriche, comprese tra uno e cento nanometri, disposte su un substrato in modo tale che non si sovrappongano l’una sull’altra, formando così un singolo strato con dimensioni nanometriche.
A differenza dei sistemi bidimensionali a scala atomica, nei sistemi bidimensionali a scala nanometrica ogni particella che li compone è formata da migliaia a milioni di atomi. L’altro termine che appare nel titolo del progetto è “analogie” e si riferisce alla similitudine come strumento metodologico. Confrontando questi due sistemi che condividono la bidimensionalità della loro geometria, ma differiscono nelle loro dimensioni e composizione, è possibile sfruttare la conoscenza delle caratteristiche facilmente identificabili in un sistema per cercarle nell’altro e viceversa. Prima di spiegare la parola “ruotati”, che appare anche nel titolo e rappresenta il termine chiave che conferisce originalità al nostro progetto, farò una parentesi per illustrare perché questi sistemi sono interessanti e hanno recentemente attirato l’attenzione di molti ricercatori in diverse parti del mondo.

Per lungo tempo, uno dei problemi fondamentali nello studio della física dello stato solido è stato capire perché un materiale (come il rame) conduce l’elettricità, mentre un altro (come il vetro) non lo fa. Questa questione è stata risolta solo negli anni ’20 grazie all’avvento della meccanica quantistica, che ha reso possibile lo studio delle proprietà della materia solida a livello fondamentale. I progressi in questo campo hanno portato nel 1940 alla pubblicazione del libro di Frederick Seitz intitolato “Teoría moderna dei solidi”, che studia in dettaglio le proprietà dei cristalli, concepiti come un insieme di atomi disposti nello spazio in modo che una configurazione di pochi atomi (cella unitaria) si ripeta periodicamente nelle tre direzioni dello spazio. Poiché la maggior parte delle sostanze cristallizza a temperature sufficientemente basse, lo studio dei cristalli ha aperto non solo un campo di ricerca fondamentale, ma ha creato un bagaglio concettuale per lo studio futuro della materia solida. Su questa base, le ricerche sulle proprietà dei cristalli hanno portato a chiedersi cosa accade se un cristallo non è perfetto, se ha difetti, se è composto da diverse classi di atomi (leghe), se è completamente disordinato (vetro) o se si tratta di un cristallo bidimensionale. Così sono emerse molte variazioni di queste domande con l’obiettivo di scoprire nuovi fenomeni fisici. Parallelamente a questo sviluppo della fisica dello stato solido, è emersa la nanoscienza, focalizzata sulla scoperta di nuovi fenomeni determinati dalle dimensioni nanometriche delle particelle (nanoparticelle). A tal scopo sono stati fabbricati cristalli che imitano i sistemi atomici, ma composti da nanoparticelle; sono stati chiamati cristalli fotonici a causa della felice analogia tra il comportamento della luce in essi e il comportamento degli elettroni nei cristalli. In questo contesto, lo studio dei sistemi bidimensionali è emerso come un passo naturale nell’evoluzione epistemica della fisica dei solidi. Il suo incentivo più importante è stato la scoperta e l’ottenimento del grafene, un materiale composto da un singolo strato ordinato di atomi di carbonio legati tra loro, formando una struttura geometrica con simmetria esagonale, simile a quella di un alveare. Grazie a questa scoperta, i fisici Andre Geim e Konstantin Novoselov sono stati insigniti del Premio Nobel per la Fisica nel 2010. Da allora, il grafene è stato oggetto di numerosi studi, aprendo una nuova e fruttuosa linea di ricerca. Ciò ha reso possibile la produzione controllata di campioni di sistemi bidimensionali non solo con atomi di carbonio, ma anche con altri tipi di atomi. In tali studi sono stati esplorati i cambiamenti nella conducibilità elettrica e nell’assorbimento della luce quando, invece di un singolo strato di grafene, si hanno due o più strati.