25 settembre 2020
Aggiornato 15:30
La parola a Stefano Baroni autore dello studio

Conduzione termica  e meccanica quantistica: nuovo studio della Sissa

Lo studio appena pubblicato sulla rivista Nature Physics, permetterà di simulare numericamente questo fenomeno in condizioni estreme di temperatura e pressione

TRIESTE - Era uno dei «tasselli mancanti» della Fisica teorica dei materiali e oggi un gruppo della SISSA l’ha finalmente messo a posto: il fenomeno della conduzione termica è stato per la prima volta descritto a partire dalle leggi fondamentali della meccanica quantistica. Lo studio appena pubblicato sulla rivista Nature Physics, permetterà di simulare numericamente questo fenomeno in condizioni estreme di temperatura e pressione, come quelle esistenti all’interno dei pianeti, o per materiali, come per esempio vetri e liquidi covalenti, ai quali i metodi attualmente disponibili non si applicano.

Conduzione termica  e meccanica quantistica
È un po’ la differenza che passa fra preparare una pietanza avendo a disposizione la ricetta dettagliata, con ingredienti e procedimento, oppure cercare di farlo basandosi sulle foto del piatto: in molte situazioni è possibile ottenere un buon risultato anche nel secondo caso, ma è chiaro che conoscendo la ricetta non solo avremo la garanzia della riuscita ma potremmo persino ideare varianti del piatto, ottenute con ingredienti diversi e magari più gustose. Questo accade anche nel mondo della Fisica, dove a volte la «ricetta» manca del tutto e ci si deve accontentare di metodi approssimati («le fotografie del piatto»). È, anzi era, il caso della conduzione termica, un fenomeno molto comune nei materiali, che seppur ben noto e molto studiato, finora non ha mai ricevuto una descrizione teorica che rendesse conto sia del comportamento degli atomi, che è regolato dalle leggi della meccanica classica, che quello degli elettroni, che obbedisce invece alle leggi della meccanica quantistica.

La parola allo scienziato
«Per qualche motivo fino a oggi, nonostante il fenomeno sia molto comune, questa descrizione non è stata disponibile. - spiega Stefano Baroni, professore della SISSA e autore dello studio - Questo ha impedito di applicare i potenti metodi di simulazione numerica (attualmente utilizzati con successo per una grande varietà di materiali, proprietà e processi) al trasporto termico  in molti sistemi di forte interesse tecnologico e scientifico». «Per predire il comportamento termico dei materiali finora sono stati infatti utilizzati ‘metodi approssimati’, applicati con successo a molti di questi problemi tecnologici. - spiega ancora Baroni - Questi metodi però soffrono di severe limitazioni quando applicati a vetri e liquidi covalenti o ai materiali in condizioni estreme di pressione e temperatura, come quelle esistenti all’interno dei pianeti». Queste condizioni infatti, continua a spiegare lo scienziato, sono talmente estreme da non essere riproducibili in laboratorio, e la simulazione numerica è l’unica possibilità di comprendere i meccanismi di dissipazione del calore dei pianeti, elemento essenziale per conoscerne e capirne la composizione e la struttura interne.

Ulisse, il sistema di supercalcolo
«Per mettere a punto un metodo generale per simulare i processi di trasporto termico mancava proprio un quadro teorico, che ora il nostro lavoro finalmente fornisce», spiega Baroni. «Il nostro metodo è accurato e generale, ma richiede risorse computazionali ingenti». Prezioso in questo senso sarà Ulisse, il sistema di supercalcolo recentemente acquisito dalla SISSA. Per le applicazioni più ambiziose dovranno essere utilizzati i supercomputer disponibili nei grandi centri di calcolo come il CINECA di Bologna, e sofisticate tecniche software, oggetto degli studi di del Centro di Eccellenza Europeo chiamato MaX («Materials at the eXascale»), coordinato dal CNR e di cui la SISSA è uno dei partner principali.