Metalli kagome e materiali quantistici: all’Università di Bologna un progetto per comprenderne le proprietà emergenti

Nel panorama della fisica della materia condensata esistono sistemi che attirano l’attenzione della comunità scientifica per la capacità di manifestare fenomeni inattesi e complessi.

Tra questi figurano i metalli kagome e le line-graph lattices, strutture cristalline la cui geometria particolare dà origine a proprietà elettroniche sorprendenti, spesso legate alla comparsa di stati quantistici collettivi. Comprendere il comportamento di questi materiali significa entrare in una delle aree di ricerca più dinamiche della fisica contemporanea, dove teoria, simulazione e sperimentazione procedono in stretta relazione.

Proprio in questa direzione si muove il progetto “Frontiers of kagome metals and line-graph lattices”, coordinato dal professor Domenico Di Sante, docente di Fisica teorica della materia presso il Dipartimento di Fisica e Astronomia “Augusto Righi” (DIFA) dell’Università di Bologna. L’iniziativa punta a chiarire i meccanismi microscopici responsabili delle proprietà emergenti osservate in questi sistemi e a individuare nuovi materiali con caratteristiche quantistiche potenzialmente utili per tecnologie avanzate.

Metalli kagome e fasi quantistiche complesse

Il termine “kagome” deriva da un motivo geometrico tradizionale giapponese formato da una rete di triangoli intrecciati. Nella fisica dei materiali indica una particolare disposizione degli atomi in un reticolo cristallino, capace di influenzare profondamente il movimento degli elettroni all’interno del materiale. La geometria del reticolo produce infatti bande elettroniche peculiari, caratterizzate da fenomeni come bande piatte, dispersioni lineari e interazioni elettroniche amplificate.

Questo contesto favorisce la comparsa di stati quantistici complessi. Tra le proprietà studiate rientrano la superconduttività non convenzionale, alcune forme di magnetismo esotico e diversi fenomeni topologici, ossia configurazioni della materia in cui le proprietà elettroniche risultano protette da caratteristiche geometriche del sistema. Si tratta di fenomeni che potrebbero rivelarsi determinanti per lo sviluppo di dispositivi elettronici di nuova generazione e per l’evoluzione dell’elettronica quantistica.

Secondo il professor Di Sante, i metalli kagome rappresentano uno dei terreni più fertili per esplorare queste dinamiche: la loro struttura consente di osservare interazioni tra elettroni particolarmente intense e di mettere alla prova modelli teorici avanzati della materia condensata.

Un approccio teorico e computazionale avanzato

Il progetto coordinato all’Alma Mater si propone di costruire un quadro teorico capace di descrivere in modo predittivo il comportamento elettronico di questi materiali. L’obiettivo consiste nell’andare oltre la semplice interpretazione dei risultati sperimentali, offrendo indicazioni utili per progettare nuovi sistemi con proprietà quantistiche definite già nella fase teorica.

Per affrontare questa sfida il gruppo di ricerca utilizzerà una combinazione di strumenti computazionali di frontiera. Tra questi figurano i calcoli a principi primi, che permettono di descrivere il comportamento degli elettroni partendo dalle leggi fondamentali della meccanica quantistica, e i metodi di molti corpi, necessari per analizzare le interazioni tra particelle in sistemi complessi.

Accanto a questi approcci verranno impiegate tecniche di high-throughput screening, utili per analizzare grandi quantità di materiali candidati, e strumenti di machine learning, sempre più presenti nella ricerca sui materiali avanzati per individuare correlazioni e proprietà emergenti difficili da identificare con metodi tradizionali.

Finanziamento e prospettive della ricerca all’Alma Mater

“Frontiers of kagome metals and line-graph lattices” prenderà ufficialmente avvio nel settembre 2026. Il progetto è stato selezionato nell’ambito del bando FIS 2 – Fondo Italiano per la Scienza, ottenendo parte di un finanziamento complessivo superiore ai 3 milioni di euro destinato a due iniziative scientifiche coordinate dall’Università di Bologna.

Accanto allo studio guidato dal professor Di Sante partirà infatti il progetto “High-Throughput Exploration of Rising Materials for photoElectrochemical Solar Fuels Production”, coordinato dal professor Raffaello Mazzaro, dedicato allo sviluppo di nuovi materiali per la produzione di combustibili solari tramite processi fotoelettrochimici.

L’avvio simultaneo delle due ricerche rappresenta un esempio significativo della strategia scientifica perseguita dall’Alma Mater nel campo della fisica dei materiali: una forte integrazione tra modelli teorici, simulazioni computazionali e attività sperimentale, con l’obiettivo di attraversare l’intero percorso della ricerca, dalla comprensione dei fenomeni quantistici fino alla progettazione e caratterizzazione di materiali con potenziali applicazioni tecnologiche.