L’elettrodinamica quantistica nei nanomateriali in carbonio

La nanotecnologia si basa sull’utilizzo dei materiali e dei dispositivi con dimensioni molto piccole, sulla scala di atomi e molecole. A queste dimensioni, molti materiali hanno proprietà straordinariamente uniche e insolite rispetto a quelle degli stessi materiali in volume più grande. I comportamenti dei nanomateriali possono essere descritti con la meccanica quantistica, del tutto diversa dalla meccanica classica.

Il progetto QOCAN (Quantum optics of carbon nanostructures), finanziato dall’UE, riunisce quattro team di scienziati per creare una base teorica inerente all’utilizzo delle nanostrutture di carbonio come elementi per i nuovi nanodispositivi optoelettronici. I nanomateriali a base di carbonio, come i nanotubi di carbonio (CNT) e il grafene vantano intriganti proprietà elettriche, ottiche e magnetiche, le quali hanno generato un enorme interesse. Gli scienziati stanno studiando le interazioni tra nanostrutture di carbonio e luce quantistica per sviluppare teorie di elettrodinamica quantistica (QED) e relativi effetti su tali materiali.

La QED è una teoria quantistica relativa alla forza elettrodinamica delle interazioni inerenti alle particelle cariche con campo elettromagnetico. Essa descrive matematicamente non solo tutte le interazioni tra luce e materia, ma anche quelle inerenti alle particelle cariche. È una delle teorie fisiche con più successo avanzate finora.

Entro il primo periodo, il team ha ottenuto ottimi progressi su tutti i fronti. Gli scienziati hanno sviluppato una teoria QED relativa al grafene e allo stato dei suoi elettroni sottoposti ad un campo elettromagnetico quantizzato. Inoltre, i ricercatori hanno sviluppato la teoria delle proprietà elettriche dei CNT in presenza di luce quantica e proposte di teorie relative all’elettrodinamica quantistica delle cavità inerenti ai CNT. L’elettrodinamica quantistica delle cavità descrive i comportamenti di atomi e fotoni contenuti in una piccola cavità, un modello sperimentale utile per offrire una finestra sui comportamenti quantistici, molto diversi da quelli nello spazio libero.

Infine, il team ha già formulato teorie sulle proprietà della banda Terahertz relative ai CNT e al grafene. Il range dei Terahertz è oggetto di intensa ricerca e sviluppo, aprendo la strada verso nuovi dispositivi di immaginografia, medicina, biologia ed esplorazione dello spazio, per citare solo alcuni settori.

La convergenza tra comunità che studia la materia condensata, la quale vanta competenze nelle nanostrutture, e comunità ottica quantistica, la quale tradizionalmente lavora con sistemi atomici e molecolari, porterà a nuovi mercati per entrambi i settori.