Questo progetto si propone di approfondire la conoscenza delle fasi condensate di sistemi bosonici a livello microscopico attraverso metodi di simulazione Quantum Monte Carlo (QMC) specificatamente sviluppati per il loro studio.
L'interesse primario è rivolto ai solidi quantistici, le cui proprità possono essere influenzate dall'indistinguibilità delle particelle e dove la loro delocalizzazione, attraverso meccanismi microscopici, intrinseci o estrinseci, può essere in grado far emergere fenomeni di coerenza quantistica e dunque nuove fasi della materia.
La rilevanza di questa problematica risiede nella ormai comprovata presenza di inspiegati effetti quantistici nella fase solida dell'4He a basse temperature (per rassegna: J.Phys.Cond.Mat. 20, 173201 (2008)). L'osservazione sperimentale di tali effetti è stata interpretata come possibile segnale di uno stato supersolido della materia ossia un solido che manifesti alcune proprietà superfluide.
Dal punto di vista teorico non vi è ancora un'interpretazione universalmente condivisa delle osservazioni sperimentali. La necessità di una precisa caratterizzazione quantitativa di questa fenomenologia e della indicazione di nuovi sistemi che possano essere rilevanti per l'effettiva osservazione di una fase supersolida assegna un ruolo predominante alle tecniche QMC, che già in passato hanno permesso una approfondita conoscenza della fase superfluida dell'4He, ma che necessitano di ulteriori sviluppi metodologici per potenziarne le capacità.
Lo sviluppo delle metodologie QMC verrà portato avanti in collaborazione con il gruppo spagnolo QMC del Prof. Boronat (UPC, Barcelona, Spain).
Con questo progetto ci proponiamo di proseguire gli studi che abbiamo condotto negli anni passati e che ci hanno portato ad assumere un ruolo pionieristico nel campo; esploreremo il comportamento a basse temperature di sistemi di 4He solido sulla base di studi analitici e di tecniche QMC cercando di raggiungere i seguenti obiettivi:
1) Studio di sistemi di 4He solido bidimensionali o adsorbiti su substrati planari (quali grafite) o confinati in materiali porosi con pori di dimensioni nanometriche.
2) Studio del ruolo del disordine sulle proprietà di coerenza quantistica della fase solida.
3) Studio di un modello variazionale accurato per la funzione d'onda dello stato fondamentale che tenga conto in modo appropriato anche delle correlazioni a lungo raggio, che nascono dalla dinamica di punto zero dei fononi longitudinali e trasversi.
4) Studio di eccitazioni a bassa energia di natura non fononica.
Le nostre simulazioni QMC si servono di un algoritmo di proiezione esatto, lo Shadow Path Integral Ground State, da noi introdotto (Mol. Phys. 101, 1697 (2003)) e ancora in ulteriore sviluppo. Questo metodo, prendendo avvio dalla tecnica delle Shadow Wave Function che ad oggi costituiscono il modello variazionale più accurato per la fase solida dell'4He, permette di ottenere risultati esatti sulle proprietà dello stato fondamentale.