In fisica il fonone è una quasiparticella che descrive un quanto di vibrazione in un reticolo cristallino rigido.
Modi normali di vibrazione in un cristallo. L’ampiezza del moto è stata esagerata per una più semplice comprensione; in un vero cristallo, essa è tipicamente molto più piccola delle dimensioni del reticolo.
Lo studio dei fononi è importante nella fisica dello stato solido, poiché essi giocano un ruolo importante nella comprensione di molte proprietà dei solidi, quali il calore specifico, la conduzione termica, la conduzione elettrica e la propagazione del suono. Il nome fonone deriva dal greco φωνή (phoné: suono).
I fononi sono la controparte quantistica di quello che in meccanica classica è noto come sviluppo in modi normali, ovvero la scomposizione delle vibrazioni in “vibrazioni elementari”, dette modi normali. In quest’ottica, tutte le vibrazioni possono essere viste e descritte formalmente come una sovrapposizione dei modi normali. Le vibrazioni elementari, nel seguito descritte nel caso unidimensionale, da un punto di vista classico sono delle onde.
Dal punto di vista della meccanica quantistica, anche nei fononi si può osservare il cosiddetto dualismo onda-particella, ovvero la presenza contemporanea di proprietà delle onde e delle particelle. La manifestazione più evidente del comportamento di particella è data dallo scattering Brillouin e Raman, in cui l’interazione tra fotoni e fononi viene matematicamente descritta come un semplice processo d’urto.
I fononi furono introdotti all’inizio del Novecento da Debye ed Einstein, all’interno dei rispettivi modelli per il calore specifico dei solidi, quando videro che il calcolo della funzione di partizione (e quindi delle quantità caratteristiche della meccanica statistica, come l’energia media ed i numeri d’occupazione medi) relativa alle oscillazioni del reticolo cristallino portava a risultati analoghi a quelli ottenuti nell’ambito della teoria statistica delle particelle identiche di spin intero: i bosoni. Fu appunto questa analogia di base con i bosoni, che portò ad identificare i modi normali del reticolo cristallino con i fononi. Come i fotoni sono quanti di onde elettromagnetiche, nel modello di Debye i fononi sono quanti di onde sonore, che si propagano all’interno del solido.
La spiegazione microscopica della superconduttività si basa sullo scambio tra elettroni di fononi, che danno luogo alle cosiddette coppie di Cooper.
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Suoni e calore, la rivoluzione tecnologica corre sui fononi
I progressi tecnologici che ci circondano oggi, dai computer portatili ad apparecchiature diagnostiche come la risonanza magnetica, si basano sul controllo di due particelle: elettroni e fotoni. Ma c’è una terza particella che potrebbe rivoluzionare in misura altrettanto grande la nostra vita quotidiana: il fonone, il quanto di vibrazione meccanica dei mezzi materiali, che trasmette suoni e calore(red)
Computer portatili e smart phone, fotocamere digitali e apparecchi diagnostici come la risonanza magnetica o la tomografia a emissione di positroni: ovunque guardiamo, troviamo apparecchiature elettroniche che solo fino a pochi anni fa erano impensabili.
Tutti questi progressi si basano sulla possibilità di controllare in modo quasi assoluto il moto di due tipi di particelle: gli elettroni, il cui flusso produce le correnti elettriche, e i fotoni, che sono i quanti di luce. Ma c’è una terza particella che potrebbe influenzare la nostra vita in modo altrettanto grande, e cioè il fonone, ovvero il quanto di vibrazione meccanica dei mezzi materiali, che trasmette suoni e calore, a cui è dedicata una review sulla rivista “Nature” a firma di Martin Maldovan, del dipartimento di Scienza e ingegneria dei materiali del Massachusetts Institute of Technology di Cambridge, negli Stati Uniti.
La propagazione di suoni e calore può essere descritta in termini di vibrazioni meccaniche, che vengono trasmesse attraverso il reticolo di atomi che costituisce la struttura microscopica di un solido cristallino o più in generale di un mezzo elastico. La principale differenza tra i due fenomeni è che la maggior parte delle onde sonore oscilla a frequenze basse, nel dominio del chilohertz (1000 hertz), e si propaga su grandi distanze, mentre la maggior parte delle vibrazioni calore oscilla a frequenze elevate, dell’ordine del terahertz (1000 miliardi di hertz), e viaggiano su brevi distanze.
Queste diverse caratteristiche portano scienziati e ingegneri a impiegare differenti strategie per controllare la propagazione del suono e del calore. Grosso modo, per manipolare i suoni sono sufficienti dispositivi macroscopici e materiali microstrutturati, mentre per il controllo del calore è necessario sfruttare le potenzialità dei materiali nanostrutturati, cioè nel dominio del miliardesimo di metro, su scale atomiche.
A cavallo delle frequenze di oscillazione che caratterizzano suono e calore ci sono interessanti prospettive di sviluppo tecnologico. Negli ultimi due decenni si è scoperto infatti che i cristalli fononici artificiali, strutture in cui sono alternati due strati di materiali elastici differenti, possono controllare in modo efficiente la propagazione delle onde sonore con frequenze tra il chilohertz e il megahertz. Queste stesse strutture hanno dimostrato di essere estremamente utili anche per controllare i suoni nel dominio degli ipersuoni, caratterizzati da frequenze al di sopra del gigahertz, e anche il calore.
Un’altra applicazione interessante sviluppata recentemente è il diodo acustico, che si comporta nei confronti dei suoni come fanno i diodi elettronici nei confronti della corrente elettrica: consentono il passaggio in una direzione ma non nella direzione opposta. Si tratta di un dispositivo che troverebbe utili applicazioni nei dispositivi medicali, per esempio negli ecografi, perché consentirebbero di ridurre notevolmente il rumore ambientale, i ricercatori si sono spinti anche oltre, prima prevedendo per via teorica e poi realizzando in via prototipale un diodo termico, che consente il trasferimento unidirezionale del calore.
Il processo è in realtà più difficile da ottenere che nel caso dei diodi acustici, poiché il calore è trasportato da un ampio spettro di fononi ad alta frequenza, che sono difficili da controllare. Nonostante ciò, l’obiettivo è stato raggiunto, e i diodi termici sono stati sviluppati al punto da riuscire a produrre gli analoghi termici di dispositivi elettronici, e cioè i transistor termici e le porte logiche termiche.
Un modo nuovo di controllare il trasporto del calore, in cui il suo flusso può essere gestito come onde sonore, è stato recentemente sviluppato usando termo-cristalli, costituiti a livello microscopico da strutture periodiche realizzate con leghe contenenti nanoparticelle. In questo caso l’idea di base è manipolare lo spettro di frequenze in modo che i fononi a bassa frequenza veicolino una parte considerevole del calore. In questo modo, i fononi che trasportano calore sono soggetti a fenomeni di riflessione e di trasmissione in corrispondenza delle interfacce, rendendo possibile l’applicazione alla gestione del flusso di calore, e molte applicazioni pensate per la gestione del flusso del suono anche alla gestione del flusso di calore.
Le tecniche più recenti per controllare la propagazione dei suoni sono alla base di un altro filone di ricerca ai limiti della fantascienza: quello che riguarda il mantello dell’invisibilità. Realizzato originariamente per l’invisibilità vera e propria, cioè nel campo dell’ottica, grazie all’utilizzazione di metamateriali in grado di deviare in modo continuo la traiettoria della luce lungo la sua superficie il “mantello”, ha trovato ora un analogo acustico: si tratta cioè di un rivestimento che rende impossibile rivelare un oggetto mediante le onde sonore.
Lo sviluppo di nuove idee per la gestione dei fononi, combinato con la capacità di progettare e realizzare materiali compositi dalle scale macroscopiche a quelle nanometriche, rappresenta solo il primo stadio di quella che si presenta come una vera rivoluzione tecnologica. Solo il tempo potrà dire se le aspettative verranno mantenute e quali potranno essere le applicazioni che entreranno nella nostra vita quotidiana.
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“Ascoltato” il fonone, la porzione più piccola esistente in acustica
10/12/2020
Misurato il rumore elettronico del fonone, ovvero il “quanto di suono” emesso da un singolo elettrone quando, dentro a un nanotransistore, entra nell’orbita di un atomo “drogante”. Lo studio pubblicato sulla rivista Applied Physics Express
Un team di ricercatori dell’Istituto di fotonica e nanotecnologie del Consiglio nazionale delle ricerche (Cnr-Ifn) di Milano, del Dipartimento di Fisica dell’Università di Milano e del Politecnico di Milano, coordinati da Enrico Prati del Cnr-Ifn, ha potuto osservare, o meglio “ascoltare”, grazie ad un esperimento condotto presso il laboratorio I3N del Politecnico milanese, il fonone, ovvero il “quanto di suono” emesso da un singolo elettrone. Il risultato, pubblicato sulla rivista Applied Physics Express, è stato ottenuto misurando il rumore elettronico prodotto da un elettrone, appartenente ad una corrente che attraversa un nanotransistore di silicio, nel momento in cui entra temporaneamente nell’orbita di un atomo incastonato a metà strada tra i contatti elettrici di alimentazione, distanti solo 100 nanometri.
“In passato avevamo già osservato effetti dovuti a queste orbite”, spiega Enrico Prati, “denominate ‘stati quantistici’, in nanostrutture di silicio nelle quali inserivamo un atomo capace di aggiungere un elettrone in più, chiamato che per questo motivo ‘drogante’. In questo caso”, prosegue il ricercatore del Cnr-Ifn, “siamo andati oltre: il nanotransistore, prodotto con tecnologia commerciale dall’azienda LFoundry di Avezzano, è stato raffreddato a circa -269 °C, per la precisione a 4,2 gradi sopra lo zero assoluto, e grazie alla sensibilità dello strumento messo a punto dal team di Giorgio Ferrari del Politecnico di Milano, abbiamo potuto misurare l’emissione di singoli quanti di suono, i fononi, emessi quando l’elettrone passa attraverso l‘orbita – o ‘stato quantistico’ – reso disponibile dall’atomo ‘drogante’. In sintesi”, riassume Prati, “il quanto di suono di un solo elettrone”.
Le ricadute della misurazione di un simile effetto potranno riguardare la precisione di esecuzione di alcune misure nella fisica dello stato solido, ed in particolare la spettroscopia mediante i diagrammi di stabilità. “Ma questo esperimento ha un valore che va al di là dei possibili sviluppi futuri”, suggerisce il ricercatore del Cnr-Ifn “un valore che riguarda l’estetica della natura ultima della materia e il fatto di aver raggiunto un risultato estremo: abbiamo mostrato la capacità di osservare ad un livello di precisione non ulteriormente perfezionabile, perché in acustica non si può misurare ‘meno di così’. È stato un po’ come nella celebre storia Zen del giovane discepolo che, ispirato dal suo maestro”, conclude il coordinatore della ricerca Enrico Prati, “raggiunse l’illuminazione dopo aver cercato il suono prodotto da una sola mano”.
Roma, 10 dicembre 2020
La scheda
Chi: Istituto di fotonica e nanotecnologie del Cnr (Cnr-Ifn) – Milano; Politecnico di Milano; Università di Milano.
Che cosa: osservazione del fonone, il “quanto di suono” emesso da un singolo elettrone.
DOI: Stefano Bigoni e al 2020 Appl. Phys. Express 13 125001, dx.doi.org/10.35848/1882-0786/abc7cf
Per informazioni: Enrico Prati, ricercatore del Cnr, mail: enrico.prati@ifn.cnr.it, enrico.prati@cnr.it
Ufficio stampa:
Emanuele Guerrini
Ufficio Stampa Cnr
06 4993 2644
Responsabile Unità Ufficio stampa:
Marco Ferrazzoli
06 4993 3383
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Una nuova ricerca mostra che i fononi sono essenziali nelle interazioni quantistiche
Comprendere perché possono influenzarsi a vicenda due particelle correlate (o entangled), che si trovano a chilometri di distanza l’una dall’altra, è uno dei maggiori interrogativi della fisica odierna. Secondo il progetto DCCM, finanziato dall’UE, i fononi, o vibrazioni quantistiche di un cristallo, giocano un ruolo più importante nella fisica dei materiali correlati di quanto non si pensasse finora.
I ricercatori di DCCM hanno scoperto che i fononi dominano la maggior parte delle interazioni correlate dei materiali, a differenza dell’opinione più diffusa nella letteratura scientifica che siano le interazioni elettrone-elettrone il fattore che incide maggiormente. Se gli scienziati riusciranno a sfruttare le straordinarie proprietà di questi materiali quantistici, ciò potrebbe portare a un nuovo filone tecnologico e innovativo.
Utilizzando la luce, il team del progetto ha studiato le proprietà dei materiali e mostrato che le transizioni indotte dalla luce dallo stato isolante a quello metallico erano causate dalla luce che influenza le vibrazioni dei cristalli e che, in effetti, non erano dovute a un cambiamento nelle interazioni elettrone-elettrone.
“Questi risultati sono importanti perché sfidano la maggior parte dei modelli che attualmente descrivono questi materiali,” dice il coordinatore del progetto, il prof. Simon Wall dell’Istituto di scienze fotoniche (ICFO) in Spagna. “Essi indicano che esiste un ‘ingrediente mancante’ che potrebbe aiutarci a compiere una svolta nella nostra comprensione.”
Nuovi sviluppi tecnologici
Le scoperto potrebbero eventualmente portare a nuove innovazioni tecnologiche. I materiali correlati offrono molte potenzialità grazie alle loro proprietà straordinarie, come la superconduttività ad alta temperatura e la capacità di passare dallo stato isolante a quello metallico a temperature elevate. Ma senza sapere come esattamente questi materiali mostrano questi fenomeni, è difficile incorporarli in nuovi dispositivi e sistemi. Un’altra questione emerge dal fatto che gli scienziati devono separare i materiali per studiarli più a fondo, ma poiché le interazioni elettroniche e dello spin competono su una scala energetica simile, questo non è affatto semplice.
È inoltre necessaria una conoscenza approfondita dei materiali quantistici a livello di nanoscala, prima che essi possano essere incorporati efficacemente nelle nuove tecnologie, dal momento che la forte competizione tra le interazioni degli elettroni e del magnetismo su questa scala può causare profondi cambiamenti. Un altro risultato del progetto è stato lo sviluppo di una nuova tecnologia di imaging che permette agli scienziati di visualizzare per la prima volta una serie di fenomeni nei materiali quantistici, e ciò potrebbe permettere ai ricercatori di esplorare ulteriormente le proprietà su nanoscala di tali materiali.
Il tipo di dispositivi che potrebbero potenzialmente essere sviluppati includono superconduttori ad alta temperatura che potrebbero sostituire i magneti costosi nelle macchine RMI o negli acceleratori di particelle, i quali attualmente per funzionare correttamente richiedono entrambi un raffreddamento a temperature estremamente basse. Le funzionalità magnetiche ed elettroniche dei materiali quantistici potrebbero anche essere utilizzati nella nuova memoria ad elevata velocità non volatile.
L’anarmonicità del reticolo e le origini della superconduttività ad alta temperatura
Il passo successivo per i ricercatori di DCCM prevede l’ulteriore approfondimento del ruolo dei fononi nella superconduttività ad alta temperatura. Essi parteciperanno al progetto SEESUPER, finanziato dal Consiglio europeo della ricerca (CER), che si propone di studiare se l’anarmonicità del reticolo può spiegare le origini della superconduttività ad alta temperatura. L’anarmonicità del reticolo consente l’accoppiamento dei fononi, i quali normalmente sarebbero indipendenti. Tale accoppiamento può a sua volta modificare il modo in cui gli elettroni interagiscono con il reticolo e potrebbe essere un fattore che favorisce la superconduttività. L’obiettivo sarà quello di applicare le tecniche sviluppate nell’ambito di DCCM per studiare come le anomalie su nanoscala e la separazione di fase modificano l’anarmonicità, e se questo può spiegare le origini della superconduttività ad alta temperatura.
www2.fci.unibo.it/~valle/pub/valle/dellavalle1983e.pdf
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