Attività di Ricerca

L'attivita' di ricerca teorica del nostro gruppo copre diverse aree scientifiche. Una prima area comprende lo sviluppo e l'applicazione di metodi numerici di simulazione ab initio utilizzata per calcolare proprieta' strutturali, dinamiche ed elettroniche di sistemi quantistici, quali molecole, clusters, solidi cristallini ed amorfi, superfici, liquidi. La simulazione di un sistema e' detta ab initio (o "da principi primi") se si basa sulle leggi fondamentali della natura (come le leggi dell'elettrodinamica e la meccanica quantistica) e le proprieta' degli atomi costituenti, senza altre assunzioni o particolari modelli. Nella dinamica molecolare ab initio gli atomi evolvono sotto l'azione di forze che dipendono esplicitamente dalla struttura elettronica, tipicamente calcolata nell'ambito della Teoria del Funzionale Densita' (DFT). Sebbene la nostra ricerca appartenga principalmente al filone della scienza di base, i risultati e le metodiche computazionali hanno ricadute tecnologiche e possono contribuire a progettare nuovi materiali e dispositivi con specifiche proprieta', ad esempio per immagazzinare idrogeno, pile a combustibile, impianti fotovoltaici e dispositivi elettronici.

Una seconda ed altrettanto cruciale area di ricerca è lo studio dei meccanismi che determinano l'emergere di fenomeni quantistici macroscopici (coerenza, superfludita', superconduttivita') analizzando le loro proprieta' utilizzando i metodi della fisica statistica, della teoria del funzionale densita', e della teoria quantistica dei campi.

Infine un'altra linea di ricerca è rappresentata dallo studio delle proprietà dei sistemi a molti corpi quantistici con particolare interesse alla loro comprensione teorica, allo sviluppo e al supporto degli esperimenti di fisica fondamentale e applicata, ed allo sviluppo delle tecnologie quantistiche. Questa linea di ricerca si avvale anche dell’utilizzo di concetti e metodi propri della teoria dell’informazione quantistica e dei metodi numerici a reti tensoriali.

Una panoramica più ampia e dettagliata dei temi di ricerca del nostro gruppo è data di seguito:

Simulazione di processi di fisisorbimento e chemisorbimento su superfici

(Pier Luigi Silvestrelli)
La comprensione dei processi di adsorbimento mediante simulazioni ab initio e' essenziale per progettare e ottimizzare una gran varieta' di applicazioni sui materiali, e per interpretare esperimenti di scattering e di microscopia a forza atomica. In particolare, l'adsorbimento di atomi di gas rari o di molecole sature come H2 su superfici metalliche e' paradigmatico del fenomeno del "fisisorbimento", che e' caratterizzato da un legame debole dovuto all'equilibrio tra interazioni attrattive a lungo raggio di van der Waals e repulsione di Pauli a corto raggio. Se invece tra adsorbato e la superficie si formano veri (forti) legami chimici allora il processo e' chiamato "chemisorbimento". Ad esempio, il chemisorbimento di molecole insature di idrocarburi sulle superfici del silicio e' di grande rilevanza per lo studio delle fasi iniziali di crescita del carburo di silicio su substrati di silicio, che e' importante per progettare nuovi dispositivi elettronici.

Grafene e nanotubi di carbonio

(Pier Luigi Silvestrelli, Paolo Umari)
I recenti progressi nelle tecniche sperimentali ed il sempre crescente interesse nelle applicazioni nanotecnologiche hanno portato a rivolgere particolare attenzione al grafene e ai nanotubi di carbonio. Il grafene ha caratteristiche peculiari grazie alla sua struttura cristallina bidimensionale. Intendiamo investigare, usando tecniche di simulazione ab initio, il chemisorbimento/fisisorbimento di atomi/molecole esterne sia su grafene planare che corrugato. Mediante approcci allo stato dell'arte sviluppati nel nostro gruppo, basati sulla Teoria del Funzionale Densita' (DFT) e sulla teoria perturbativa a molti corpi GW, caratterizziamo diverse molecole sia sul grafene planare che corrugato, in modo da spiegare, a complemento dell'investigazione sperimentale, come queste funzionalizzazioni del grafene alterano le sue proprieta' strutturali, vibrazionali ed elettroniche. Studiamo anche l'interazione del grafene con l'acqua, dato che il sistema acqua-grafene e' molto importante come interfaccia modello tra l'acqua e substrati idrofobici ed e' pure rilevante per applicazioni recentemente realizzate in dispositivi di "energy harvesting". I nanotubi di carbonio sono particolarmente interessanti come potenziali dispositivi di immagazzinamento di idrogeno per veicoli elettrici alimentati da pile a combustibile. Studiamo l'interazione dell'idrogeno con nanotubi di piccolo raggio mediante metodi ab initio DFT: esploriamo diversi cammini di reazione, siti di adsorbimento ed orientazioni delle molecole di idrogeno relativamente alla struttura di carbonio e calcoliamo le corrispondenti energie di legame ed i potenziali di adsorbimento.

Struttura dell'acqua (legami ad idogeno), acqua all'interfaccia, e soluzioni acquose

(Pier Luigi Silvestrelli)
L'acqua, il liquido piu' importante sulla terra, deve le sue insolite proprieta' alla rete dei legami ad idrogeno che connettono molecole adiacenti. La descrizione della struttura elettronica dell'acqua deve essere migliorata tenendo opportunamente conto delle interazioni di dispersione (di Van der Waals), un effetto quanto-meccanico prodotto dalle correlazioni non-locali tra gli elettroni. Stiamo attualmente studiando gli effetti strutturali delle interazioni di dispersione in sistemi con legami ad idrogeno. Una migliore comprensione della struttura microscopica dell'acqua liquida e' un prerequisito per interpretare i dati spettroscopici e dovrebbe portare a migliorare i modelli microscopici per l'acqua all'interfaccia e per i processi di idratazione e renderli adatti anche a descrivere stati metastabili. Le interazioni idrofobiche sono cruciali in molti processi biofisici e biochimici. Essenzialmente l'effetto idrofobico rappresenta la tendenza dei gruppi apolari ad associarsi nelle soluzioni acquose e a minimizzare la superficie totale esposta all'acqua; al contrario i gruppi polari possono partecipare ai legami ad idrogeno con le molecole d'acqua. Studiamo quindi, mediante simulazioni ab initio, proprieta' strutturali, dinamiche, di legame, ed elettroniche delle molecole d'acqua attorno a diversi soluti, come molecole di metanolo e metano a diverse concentrazioni.

Proprieta' di eccitazione con la teoria perturbativa a molti corpi

(Paolo Umari)
Abbiamo sviluppato degli algoritmi per il calcolo di eccitazioni elettroniche neutre e cariche che si basano sulla teoria delle perturbazioni a molti-corpi (GW-BSE). Attualmente stiamo usando questi metodi numerici per lo studio delle tematiche seguenti: *)celle solari elettrochimiche *) celle solari perovskite *)proprieta' elettroniche di molecole organiche e metallo organiche *)proprieta' elettroniche di nanoclusters metallici *)simulazione di spettri Raman in modelli di silice sottoposta a compressione *)studio delle proprieta' elettroniche di modelli di DNA e di frammenti di DNA in soluzione.

Condensazione e superfluidita' negli atomi ultrafreddi

(Francesco Ancilotto, Luca Dell'Anna, Luca Salasnich)
Studiamo la termodinamica di superfluidi bosonici e fermionici debolmente interagenti (atomi alcalino-metallici quali rubidio, sodio, litio, ma anche idrogeno atomico) e intrappolati con potenziali magetici o ottici. Analizziamo le eccitazioni elementari di particella singola e quelle collettive risolvendo sia le equazioni di Bogogliubov-de Gennes sia quelle di Popov. Inoltre, investighiamo le proprieta' dinamiche dei condensati di Bose-Einstein (BECs) utilizzando l'equazione tridimensionale di Gross-Pitaevskii dipendente dal tempo, che descrive la funzione d'onda macroscopica (parametero d'ordine) del condensato di Bose. Stiamo anche investigando la dinamica (eccitazioni collettive, espansione libera, formazione di vortici quantizzati) di un gas di fermioni a due componenti nel crossover BCS-BEC, ed anche la formazione di solitoni in miscele atomiche di bosoni e fermioni. In particolare, stiamo sviluppando un affidabile funzionale energia della densita' per il gas di Fermi unitario (lunghezza di scattering infinita) a temperatura nulla e a temperatura finita. Stiamo anche iniziando l'analisi delle proprieta' di condensato degli atomi atomici fermionici con accoppiamento di spin-orbita nel crossover BCS-BEC utilizzando tecniche di path-integral analitiche e numeriche. Infine, stiamo lavorando sulla dinamica del tunneling quantistico a molti corpi di bosoni e fermioni in doppia e tripla buca di potenziale con lo scopo di studiare stati di gatto di Schrodinger e l'entanglement quantistico.

Fluidi classici e quantistici in geometrie confinate

(Francesco Ancilotto, Pier Luigi Silvestrelli)
Applichiamo e sviluppiamo metodi computazionali per lo studio delle proprieta' strutturali e dinamiche di fluidi quantistici in geometrie confinate. Esempi di questi sistemi sono: nanogocce di elio liquido (fluido altamente quantistico) puro o dopato con impurita' atomiche/molecolari, l'argon liquido (tipico fluido classico) adsorbito entro nanopori, il para-idrogeno liquido (fluido moderatamente quantistico) adsorbito su nanostrutture, l'elio all'interno di nanotubi di carbonio, ecc. Questi sistemi sono analizzati nell'ambito di una teoria fenomenologica che utilizza il metodo del funzionale densita' nel caso dell'elio e dell'idrogeno, mentre si utilizzano metodi di Dinamica Molecolare Classica e/o simulazioni Monte Carlo nel caso di fluidi classici.

Sistemi disordinati

(Luca Dell'Anna)
Il disordine è presente spesso in natura, per cui una piena comprensione di molti fenomeni fisici a livello microscopico governati dalla meccanica quantistica non può prescindere dal trattare impurezze e disomogeneità. Un noto effetto dovuto al disordine è la cosiddetta localizzazione di Anderson, che confina spazialmente le funzioni d'onda quando si è al di sopra di un valore critico del disordine locale, rendendo isolante il sistema. Lo studio delle proprietà dei sistemi disordinati anche in presenza di interazione tra le particelle è invece un tema di ricerca ancora da esplorare. Il fenomeno relativo alla transizione tra fase conduttiva e isolante è chiamato in questo caso "many-body localization", e la sua caratterizzazione è attualmente oggetto di intensi studi nella fisica dei sistemi a molti corpi.

Scienze e tecnologie quantistiche

(S. Montangero)
La seconda rivoluzione quantistica, iniziata qualche decennio fa, ha come obiettivo di utilizzare e ingegnerizzare le proprietà quantistiche di sistemi a molti corpi per sviluppare tecnologie (simulatori, computer, sensori e apparati di comunicazione quantistici) che promettono di rivoluzionare quelle odierne. Un ulteriore obiettivo è lo sviluppo di strumenti capaci di studiare direttamente le proprietà quantistiche della materia, dall’entanglement ai limiti fondamentali alla nostra capacità di modificare un sistema quantistico o di trasmissione ed elaborazione dell’informazione quantistica.
Applicando moderni metodi numerici (metodi a reti tensoriali) e concetti di teoria dell’informazione quantistica, le nostre attività sono volte allo sviluppo delle componenti fondamentali delle tecnologie quantistiche (ad esempio la creazione di stati entangled, di stati coerenti di sovrapposizione macroscopiche e manipolazioni ottimali per l’elaborazione dell’informazione quantistica). Esse spaziano dalla analisi teorica al supporto e alla simulazione numerica di esperimenti di atomi freddi in reticoli ottici, ioni intrappolati, centri colorati in diamanti, qubits superconduttori e condensati di Bose-Einstein. Inoltre sviluppiamo e applichiamo nuove metodologie numeriche per lo studio si sistemi a molti corpi quantistici altamente correlati (teorie di gauge su reticolo, stati topologici della materia, stati entangled a molti corpi, ecc.). Le nostre attività ricercano e si avvalgono di una forte sinergia con l’ottica quantistica, la fisica delle altre energie e la materia condensata e con vari gruppi sperimentali, come ad esempio quelli di Firenze (L. Fallani), Vienna (J. Schmiedmayer), Garching (I. Bloch), Harvard (M. Lukin), e Ulm (F. Jelezko).
Maggiori informazioni sono disponibili alla pagina web.

  Research Activity

The research activity of our group covers several scientific areas. A first area includes the development and application of numerical methods for ab-initio computation of structural, dynamical and electronic properties of quantum systems, such as molecules, clusters, crystalline and amorphous solids, surfaces and liquids. Ab-initio simulations are based on the fundamental natural laws (such as electrodynamics and quantum dynamics) and on the properties of the constituent atoms, without introducing any specific assumption or model. In ab-initio molecular dynamics, atoms evolve according to forces that explicitly depend on the electronic structure, usually computed by Density Functional Theory (DFT). While our research is mostly devoted to the basic comprehension of natural laws, our results have concrete implications, and can contribute to the development of novel functional materials and devices, related for instance to hydrogen storage, combustion batteries, photovoltaic cells, and electronics.

A second, and equally crucial research area is the study of those mechanism that determine the emergence of macroscopic quantum mechanical phenomena (coherence, superfluidiy, superconductivity). Their properties are analyzed for instance by statistical methods, DFT and quantum field theories.

Last but not least, we develop and apply novel numerical methods (tensor network methods) to study many-body quantum system properties to describe and support fundamental and applied quantum science experiments.

Simulation of physisorption and chemisorption processes at surfaces

(Pier Luigi Silvestrelli)
The comprehension of adsorption processes by means of ab-initio simulations is essential for designing and optimizing a broad variety of materials and devices, and for interpreting scattering and atomic force microscopy experiments. The adsorption of rare-gas atoms or saturated molecules such as H2 on metallic surfaces is paradigmatic for the "physisorption" phenomenon, which is characterized by weak bondings due to the equilibrium between long-ranged van der Waals attraction and short-ranged Pauli repulsion. Instead, when (strong) chemical bonds are formed between substrate and adsorbate, the process is called "chemisorption". For instance, the chemisorption of large non-saturated hydrocarbon molecules on silicon surfaces has a crucial relevance for the early growth phases of silicon carbide, an essential ingredient for the development of novel electronic devices.

Graphene and carbon nanotubes

(Pier Luigi Silvestrelli, Paolo Umari)
The recent experimental advances and the growing interest in nanotechnological applications have drawn particular interest on graphene and carbon nanotubes. Graphene exhibits peculiar physical features due to its two-dimensional crystalline structure. Our group investigates via ab-initio simulation techniques chemisorptions and physisorption of external atoms/molecules both on planar and corrugated grapheme. Relying on state of the art approaches developed in our group and based on density functional theory (DFT) and perturbative many-body theory GW, we characterize different types of adsorbates, aiming to explain -as a complement to experimental investigations- how chemical functionalization can alter the structural, vibrational and electronic properties of graphene. Water-graphene interactions are also subject of our investigations, given the relevance of this system as a model for hydrophobic substrates, and in view of recently realized applications of "energy harvesting". Carbon nanotubes are particularly interesting as potential devices for hydrogen storage in electric vehicles based on fuel cells. We study the interaction between hydrogen and small radius nanotubes via ab-initio DFT: we explore reaction paths, adsorption sites and hydrogen molecule orientations, relative to the carbon structure, and compute the corresponding adsorption potentials.

Water structure (hydrogen bonds), interfacial water and aqueous solutions

(Pier Luigi Silvestrelli)
Water -the most important liquid on earth-, owes its unusual properties to the hydrogen bond net connecting adjacent molecules. The description of water electronic structure needs to be improved specifically accounting for dispersion (van der Waals) interactions, a quantum mechanical effect due to non-local correlations between electrons. Currently we are studying the structural effects due to dispersion in hydrogen bonded systems. A better comprehension of the microscopic structure of water is a prerequisite for interpreting spectroscopic data, and should lead to improved macroscopic models for interfacial water and hydration processes, making them apt to describe metastable states either. Hydrophobic interactions are crucial in many biophysical and biochemical processes. Essentially, the hydrophobic effects accounts for the tendency of apolar groups to associate into aqueous solutions by minimizing the total external surface exposed to water; in contrast, polar groups can take part into hydrogen bonds with water molecules. We therefore study via ab-initio simulations structural, dynamical, bonding and electronic properties of water molecules close to various solutes, such as methane and methanol molecules at different concentrations.

Excitation properties from perturbative many-body theory

(Paolo Umari)
We developed specific algorithms for the computation of both neutral and charged electronic excitations, based on many-body perturbation theory (GW-BSE). Currently, we are applying these numerical methods for investigating the following topics: *) electrochemical solar cells *) perovskite solar cells )* electronic properties of organic and metal-organic molecules *) electronic properties of metallic nanoclusters *) simulation of Raman spectra in models of silica subject to compression *) study of electronic properties of DNA models and DNA fragments in solution.

Condensation and superfluidity in ultracold atoms

(Francesco Ancilotto, Luca Dell'Anna, Luca Salasnich)
We study the thermodynamics of Fermi and Bose weakly interacting gases (alkaline-metallic atoms, such as rubidium, sodium, lithium or atomic hydrogen) and trapped via magnetic or optical potentials. We analyze the elementary single- and many-particle excitations, solving both Bogoliubov-de Gennes and Popov equations. In addition, we investigate dynamical properties of Bose-Einstein condensates (BECs) employing the three-dimensional time-dependent Gross-Pitaevskii equation, describing the macroscopic wave function (order parameter) of the Bose condensate. We are also investigating the dynamics (collective excitations, free expansion, quantum vortex formation) of two-component Fermi gases at the BCS-BEC crossover, and the formation of solitons in Bose-Fermi mixtures. In particular, we are developing a reliable energy functional for the unitary Fermi gas (infinite scattering length) at zero and finite temperature. We are also analyzing the properties of Fermi gases in the presence of spin-orbit coupling in the BCS-BEC crossover, making use of analytical and numerical path integral techniques. Finally, we are working on the dynamics of many-body quantum tunneling effects for both Bose and Fermi systems in double and triple potential wells, aiming to study "Schroedinger's cat" states and quantum entanglement.

Classical and quantum fluids in confined geometries

(Francesco Ancilotto, Pier Luigi Silvestrelli)
We apply and develop computational methods apt to investigate structural and dynamical properties of quantum fluids in confined geometries. Examples include: liquid helium nanodroplets (highly quantum fluid), pure or doped with atomic/molecular impurities, liquid argon (typical classical fluid) adsorbed into nanopores, liquid para-hydrogen (weakly quantum fluid) adsorbed on nanostructures, helium in carbon nanotubes, etc. Helium and hydrogen are analyzed within a phenomenological theory based on density functional theory, while classical molecular dynamics and Monte Carlo simulations are adopted for describing classical fluids.

Disordered systems

(Luca Dell'Anna)
Disorder is often present in nature, and the comprehension of many macroscopic physical phenomena governed by quantum mechanics can only be attained by explicitly considering impurities and inhomogeneities. A well known effect due to disorder is the so-called Anderson localization, that spatially confines electronic wave functions when overcoming a critical value of the local disorder, thus turning the system into an insulator. The properties of disordered systems in the presence of inter-particle interactions are instead yet to be explored. The phase transition between conducting and insulating phase is called in this case "many-body localization", and its characterization is currently object of intense studies in the context of many-body physics. 

Quantum science and technologies

(S. Montangero)
A few decades ago, the second quantum revolution (www.qt.eu) started: it aims to exploit and engineer the quantum properties of matter to develop the quantum technologies. These new class of technologies (quantum simulations, computations, sensing and communication) promise to overcome current technologies under many aspects and to pave the way to novel routes to investigate directly the quantum properties of matter, and the fundamental limits of quantum system manipulation with potential impact ranging from chemistry, astrophysics, condensed matter and high-energy physics. Moreover, quantum technologies will grant access to novel investigation tools to probe and understand the quantum properties of nature.,
We apply tensor network methods and other numerical and theoretical quantum science methods to support and simulate experiments of cold atoms in optical lattices, trapped ions, NV centers in diamonds, circuit QED and Bose-Einstein condensates. Established collaborations include the groups in Firenze (L. Fallani), Vienna (J. Schmiedmayer), Garching (I. Bloch), Harvard (M. Lukin), e Ulm (F. Jelezko). The objectives of our activities ranges from the development of the quantum technologies building blocks (creation of entangled states, of macroscopic quantum superpositions, optimal control of quantum information etc.) to the development and the application of novel tool and methods to study strongly correlated quantum systems (lattice gauge theories, topological systems, many-body entanglement, critical systems, etc.). We operate in an interesting spot in between quantum science, condensed matter, quantum optics and high-energy physics.
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